Alors que la demande de nickel explose dans le cadre de la transition mondiale vers une énergie propre, les ressources en nickel sulfuré de haute qualité s’épuisent à un rythme accéléré. L’Université de Toronto, en collaboration avec le géant minier mondial Vale Base Metals, a publié une étude révolutionnaire dans la revue Communications Engineering du groupe Nature. Elle décrit pour la première fois un nouveau procédé d’extraction du nickel à basse température, principalement à l’état solide, utilisant du fer métallique bon marché comme « agent de capture du nickel ». À une température inférieure à 950 °C et en environ 3 heures, il produit un alliage de ferronickel contenant 16 à 24 % de nickel, sans aucune émission de dioxyde de soufre. On estime que les minerais ultramafiques mondiaux renferment environ 45 millions de tonnes de nickel non exploité – un chiffre qui représente une part considérable des réserves mondiales prouvées de nickel. Si cette technologie est industrialisée, elle aura un impact profond sur la résilience et la durabilité de la chaîne d’approvisionnement mondiale du nickel.

Épuisement des ressources de haute qualité, un « os dur » longtemps laissé en sommeil

Le nickel est une matière première essentielle pour l’acier inoxydable, les alliages à base de nickel et les batteries lithium-ion, et son importance stratégique ne cesse de croître dans la transition énergétique propre. Cependant, après des années d’exploitation, les ressources mondiales en nickel sulfuré de haute qualité s’épuisent rapidement, obligeant l’industrie à se tourner vers les minerais ultramafiques de basse qualité et difficiles à valoriser.

Bien que les minerais ultramafiques soient abondants, leur composition minérale complexe et leur forte teneur en gangue de silicate de magnésium ont longtemps rendu leur exploitation économique difficile. Deux voies d’extraction traditionnelles existent :

La pyrométallurgie à haute température : très énergivore et génératrice d’importantes émissions de dioxyde de soufre

L’hydrométallurgie par lixiviation : procédé complexe, forte consommation de réactifs et difficulté de traitement des effluents

Ces deux voies se heurtent à des goulots d’étranglement économiques et techniques lorsqu’il s’agit de traiter les minerais ultramafiques de basse qualité, laissant ces ressources longtemps « dormantes ».

Quatre avancées majeures du procédé à l’état solide à basse température

L’équipe de Wei Lv, Fanmao Wang, Brian Makuza, Sam Marcuson et Mansoor Barati du Département de science et génie des matériaux de l’Université de Toronto, en collaboration avec la division Technologie et Innovation de Vale Base Metals, a mis au point un procédé de traitement thermique innovant. Ce procédé a été validé à l’échelle pilote (mini-plant scale), marquant le passage de la phase de laboratoire à une base technique propice à l’industrialisation.

Stratégie de l’« agent de capture » : le fer métallique bon marché « attrape » le nickel de manière ciblée

L’innovation centrale de ce procédé réside dans l’utilisation de fer métallique bon marché comme « agent de capture du nickel » (nickel getter). Dans des conditions soigneusement contrôlées de température, d’atmosphère et d’ajout de fer, des conditions thermodynamiques favorables se créent dans le réacteur, permettant au nickel de migrer sélectivement du minerai vers la phase d’alliage métallique pour s’y enrichir.

L’essence technique est la suivante : le fer capture le soufre des sulfures pour former du FeS non magnétique, tandis que l’excès de fer s’allie au nickel pour former un alliage ferronickel. Cette voie de « réaction de déplacement à l’état solide » contourne astucieusement les conditions de fusion à haute température requises par la pyrométallurgie traditionnelle.

Les recherches antérieures utilisant de la poudre de fer agglomérée avec du concentré et chauffée à environ 920 °C présentaient des limites. Ce procédé permet une extraction efficace à des températures inférieures à 950 °C, réduisant la température de réaction de plus de 1 200 °C (fusion traditionnelle) à moins de 950 °C.

Respectueux de l’environnement : élimination totale des émissions de dioxyde de soufre

L’un des principaux problèmes environnementaux de la métallurgie traditionnelle du nickel est l’émission de dioxyde de soufre. Ce procédé élimine fondamentalement la production de SO₂ en stabilisant le soufre dans une phase sulfurée solide. Cette conception fait de ce procédé une voie d’extraction durable, parfaitement alignée sur les objectifs de décarbonation de la production métallique.

Rapide et efficace : production en 3 heures, particules contrôlables

Le temps de traitement de ce procédé n’est que d’environ 3 heures, produisant un alliage ferronickel avec une teneur en nickel de 16 à 24 %. Plus crucial encore, l’équipe de recherche a réalisé un contrôle précis de la taille et de la morphologie des particules d’alliage – ce qui détermine directement l’efficacité de la séparation ultérieure de l’alliage de la gangue par des méthodes physiques. La contrôlabilité de la taille et de la morphologie des particules permet aux méthodes de séparation physique comme la séparation magnétique de fonctionner efficacement. L’alliage ferronickel produit peut être transformé en nickel de qualité batterie par un raffinage conventionnel.

Validation à l’échelle pilote : une étape clé du laboratoire à l’industrialisation

Ce procédé a été validé à l’échelle pilote. La recherche a bénéficié du soutien technique de Vale Base Metals et du financement du Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG).

Les données réelles montrent que ce procédé peut transformer un concentré sulfuré contenant 7,7 % de nickel en un alliage ferronickel contenant environ 16 % de nickel, avec un taux de récupération du nickel d’environ 89 %, tout en évitant les émissions directes de SO₂.

Pourquoi le « solide à basse température » est-il crucial ?

La logique traditionnelle de l’extraction du nickel est la « fusion à haute température » – chauffer le minerai à une température bien supérieure à son point de fusion pour liquéfier les composants métalliques et les séparer. Cette voie est non seulement très énergivore, mais génère également inévitablement de grandes quantités de SO₂.

La logique innovante de l’équipe de l’Université de Toronto est le « déplacement à l’état solide » – utiliser des réactions chimiques entre le fer et les sulfures de nickel à des températures bien inférieures au point de fusion pour permettre au nickel de migrer du minerai vers l’alliage à l’état solide. Les avantages de cette approche sont :

Réduction significative de la consommation d’énergie : la température de réaction passe de plus de 1 200 °C (fusion traditionnelle) à moins de 950 °C

Pas besoin d’équipement de fusion : la réaction à l’état solide peut avoir lieu dans des réacteurs plus simples

Le soufre est « verrouillé » : élimination fondamentale des émissions de SO₂

Redessiner la chaîne d’approvisionnement mondiale du nickel

Libérer 45 millions de tonnes de ressources « dormantes »

On estime que les minerais ultramafiques mondiaux renferment environ 45 millions de tonnes de nickel non exploité. Ce chiffre représente une part considérable des réserves mondiales prouvées de nickel. Une fois industrialisée, cette technologie permettra de mobiliser directement les ressources mondiales de nickel ultramafique « dormantes ».

Atténuer la tension sur l’approvisionnement mondial en nickel

La demande de nickel pour la transition mondiale vers une énergie propre croît à un rythme sans précédent, tandis que les ressources en nickel sulfuré de haute qualité s’épuisent. Cette technologie offre une toute nouvelle voie d’ingénierie pour le développement vert des ressources de nickel ultramafique de basse qualité. En libérant des ressources en nickel auparavant inexploitables, cette technologie peut atténuer la tension sur l’approvisionnement mondial en nickel et soutenir le développement continu des véhicules électriques et des industries de stockage d’énergie renouvelable.

Une référence industrielle pour l’extraction verte

Les problèmes de forte consommation d’énergie et d’émissions élevées de la métallurgie traditionnelle du nickel ont longtemps tourmenté l’industrie. Les caractéristiques de basse température et d’absence d’émissions de SO₂ de ce procédé en font une avancée de référence dans le domaine de la métallurgie verte. L’équipe de recherche souligne que ce procédé élargit le paysage technologique de l’extraction du nickel et contribue à l’établissement d’une chaîne d’approvisionnement mondiale du nickel plus équitable et plus résiliente.

Alors que la demande mondiale de nickel continue d’augmenter avec l’essor des véhicules électriques et du stockage d’énergie renouvelable, et que les ressources en nickel sulfuré de haute qualité s’épuisent, cette percée de l’Université de Toronto et de Vale ouvre une toute nouvelle porte à l’industrie mondiale du nickel – remplacer la fusion à haute température par la « capture » à l’état solide à basse température, utiliser du fer bon marché pour « attraper » le nickel précieux, et redéfinir les normes de la métallurgie verte avec zéro émission de SO₂.

Si cette technologie est industrialisée, elle modifiera fondamentalement la configuration du développement des ressources mondiales en nickel – transformant les 45 millions de tonnes de ressources de nickel ultramafique « dormantes » d’un « os dur » en un « gâteau savoureux », fournissant une base solide de matières premières pour la transition mondiale vers une énergie propre.