Modélisation de l'impact des impuretés métallique sur la cinétique de lixiviation de la black mass industrielle/Modeling the impact of metallic impurities on black mass leaching kinetics

IFP Energies nouvelles (IFPEN) est un acteur majeur de la recherche et de la formation dans les domaines de l’énergie, du transport et de l’environnement. De la recherche à l’industrie, l’innovation technologique est au cœur de son action, articulée autour de quatre priorités stratégiques : Mobilité Durable, Energies Nouvelles, Climat / Environnement / Economie circulaire et Hydrocarbures Responsables.

Dans le cadre de la mission d’intérêt général confiée par les pouvoirs publics, IFPEN concentre ses efforts sur :

l’apport de solutions aux défis sociétaux de l’énergie et du climat, en favorisant la transition vers une mobilité durable et l’émergence d’un mix énergétique plus diversifié ;
la création de richesse et d’emplois, en soutenant l’activité économique française et européenne et la compétitivité des filières industrielles associées.

Partie intégrante d’IFPEN, l’école d’ingénieurs IFP School prépare les générations futures à relever ces défis.

Modélisation de l’impact des impuretés métallique sur la cinétique de lixiviation de la black mass industrielle/Modeling the impact of metallic impurities on black mass leaching kinetics

Dans le cadre de la transition énergétique, le recyclage des batteries lithium-ion est essentiel pour réduire la dépendance aux métaux critiques et favoriser une économie circulaire. La nouvelle réglementation européenne (Règlement (UE) 2023/1542) impose des taux de récupération de 80 % pour le lithium et 95 % pour le nickel, le cuivre et le cobalt d’ici 2031, incitant à optimiser les procédés de recyclage.

La black mass, issue du broyage des batteries usagées, est une ressource riche en métaux valorisables, mais elle se caractérise par une forte hétérogénéité chimique et morphologique. Ces variations influencent significativement les performances des procédés hydrométallurgiques, notamment la lixiviation, qui constitue une étape clé dans la récupération des métaux.

À ce jour, les modèles cinétiques existants intègrent peu l’impact des impuretés métalliques telles que le cuivre, le fer et l’aluminium, bien que ces éléments jouent un rôle crucial dans les mécanismes de lixiviation et les performances des procédés. Développement d’un modèle prenant en compte ces paramètres est indispensable pour optimiser les conditions opératoires et améliorer les performances des procédés à l’échelle industrielle.

A ce regard, ce stage vise à enrichir le modèle cinétique de la lixiviation existant en intégrant l’impact des impuretés métalliques.

Objectifs du stage

Réaliser une revue bibliographique sur l’impact des impuretés métalliques (Cu, Fe, Al) sur la cinétique de lixiviation.
Etudier les interactions chimiques (spéciation) des impuretés à l’aide de Phreeqc et MEDUSA.
Intégrer les effets des impuretés dans le modèle cinétique existant.
Tester et valider le modèle enrichi à l’aide des données expérimentales internes issues de tests de lixiviation réalisés avec des paramètres variés (concentration des réactifs, température, temps de réaction, ratio solide/liquide).
Proposer des ajustements pour améliorer les prédictions et optimiser les conditions opératoires.

Possibilité de continuer la recherche sur le même sujet dans le cadre du doctorat.

Profil recherché

Le candidat doit être en dernière année d'études d'ingénieur ou de Master 2 en génie chimique, géochimie ou chimie des matériaux.

Compétences requises : modélisation cinétique chimique, expérimentations, caractérisation des matériaux, maîtrise d’un langage de programmation (Python, C++, Fortran, Matlab).

Autres informations

- Responsable de stage – Madina NAUKANOVA et Clemence NIKITINE
- Durée de stage : 6 mois (stage rémunéré)
- Période : Février-Novembre 2026
- Lieu : IFPEN Solaize (Sud de Lyon)
Transports : IFP Energies Nouvelles – Solaize est situé à 20 km au Sud de Lyon. Un véhicule personnel est recommandé mais le site est aussi accessible en transports en commun (des navettes entre la gare de Feyzin ou le métro B sont disponibles aux heures de bureau, matin et soir)

Envoyez votre CV et lettre de motivation

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Context

As the world transitions toward cleaner energy solutions, the recycling of lithium-ion batteries has become a critical objective to reduce reliance on scarce and valuable metals, such as lithium, cobalt, nickel, and copper, while fostering a circular economy. In this context, the recently introduced European regulation (Regulation (EU) 2023/1542), adopted in July 2023, sets ambitious recycling targets. By the year 2031, it mandates a minimum recovery rate of 80% for lithium and 95% for nickel, copper, and cobalt, creating an urgent need to improve recycling processes.

Black mass, a byproduct of processed end-of-life batteries, is a valuable source of recoverable metals. However, its complex and highly heterogeneous chemical and morphological composition poses significant challenges. These variations directly impact the efficiency of hydrometallurgical processes, particularly leaching, which is a critical step in recovering these metals.

Despite their importance, current leaching kinetic models often overlook the effects of metallic impurities such as copper, iron, and aluminum. These impurities play a critical role in the leaching mechanisms and can significantly influence the performance of the recycling process. To address this gap, it is essential to develop and refine kinetic models that effectively incorporate these factors, enabling the optimization of process conditions and enhancing industrial-scale performance. This internship seeks to improve the existing leaching kinetic model by integrating the effects of metallic impurities.

Description

Conduct a comprehensive literature review on the influence of metallic impurities (Cu, Fe, Al) on leaching kinetics.
Investigate the chemical interactions (speciation) of impurities using software tools such as Phreeqc and MEDUSA.
Incorporate the impact of metallic impurities into the existing leaching kinetic model.
Validate the enhanced model using experimental data from internal leaching tests performed under various conditions (e.g., reagent concentrations, temperature, reaction time, and solid/liquid ratios).
Recommend improvements to refine the model's predictive accuracy and optimize the leaching process conditions.

The internship offers the potential to continue this research as part of a Ph.D. program.

Required profile

The candidate should be in their final year of an engineering school or Master 2 program (or equivalent) in chemical engineering, geochemistry, or materials chemistry.

Strong background in chemical kinetic modeling, experimental techniques, and material characterization.
Proficiency in programming languages such as Python, C++, Fortran, or Matlab,

Additional information

- Supervisors: Madina Naukanova and Clemence Nikitine
- Remunerated internship
- Duration of the internship: 6 months
- Period: February-November 2026
- Workplace: IFPEN Solaize (South of Lyon)
Transport: IFP Energies Nouvelles – Solaize is located 20 km south of Lyon. A personal mean of transportation is recommended but the site can be reached by public transportation as well (a shuttle between the train station of Feyzin or Metro B and IFPEN is available in the morning and afternoon).