Des ingénieurs de l’UC San Diego ont mis au point une méthode permettant de recycler les matériaux des batteries lithium-fer-phosphate (LFP) usagées afin de fabriquer un composant plus performant. Leur méthode consiste à utiliser une batterie LFP en fin de vie (à gauche), dont la cathode est isolée sous forme de poudre (au centre) et transformée en une cathode à plus haute densité énergétique, appelée lithium-manganèse-fer-phosphate (LMFP). Crédit : David Baillot/École d’ingénierie Jacobs de l’UC San Diego
Une nouvelle approche du recyclage des batteries pourrait transformer les déchets de véhicules électriques actuels en éléments constitutifs des batteries plus performantes de demain. Des ingénieurs de l’Université de Californie à San Diego ont mis au point une méthode écologique permettant de recycler les cathodes des batteries lithium-fer-phosphate (LFP) usagées en un matériau plus puissant, le lithium-manganèse-fer-phosphate (LMFP), capable de stocker davantage d’énergie que le LFP.
Au lieu de décomposer les vieilles batteries en produits chimiques bruts et de les reconstruire à partir de zéro, ce procédé transforme le matériau de la batterie existante en un produit à plus forte valeur ajoutée.
Les résultats sont publiés dans Joule .
Les batteries LFP sont largement utilisées dans les véhicules électriques et les systèmes de stockage d’énergie à grande échelle en raison de leur sécurité et de leur longue durée de vie. Elles sont également moins coûteuses que les autres batteries lithium-ion car elles ne contiennent pas de métaux onéreux comme le cobalt ou le nickel. Elles représentent aujourd’hui près de la moitié du marché mondial des batteries lithium-ion. Cependant, à mesure que leur durée de vie augmente, leur recyclage efficace devient un défi croissant.
Récupération du matériau cathodique usagé d’une batterie LFP en fin de vie. De gauche à droite : le contenu de la batterie est déroulé, découpé en feuilles plus petites, trempé dans l’eau et remué. Crédit : David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering
Aller au-delà du recyclage conventionnel
Les méthodes de recyclage actuelles utilisent généralement une chaleur intense ou des produits chimiques agressifs pour récupérer les composants des batteries. « Ces procédés ne sont pas respectueux de l’environnement », explique Wei Li, premier auteur de l’étude et chercheur postdoctoral au sein du laboratoire de Zheng Chen, professeur au département de génie chimique et nanotechnologique Aiiso Yufeng Li Family de l’école d’ingénierie Jacobs de l’UC San Diego, et co-auteur principal de l’étude. Ils consomment beaucoup d’énergie, précise Li, et génèrent également d’importantes quantités de déchets et d’émissions.
Le laboratoire de Chen avait précédemment mis au point une méthode écologique pour régénérer le LFP usagé. Mais cette approche ne faisait que préserver la composition chimique d’origine. « Après régénération, il s’agissait toujours de LFP », a déclaré Li.
Leur nouvelle méthode va encore plus loin en utilisant un matériau plus performant : le LMFP. « Cela pourrait permettre une utilisation plus intéressante des batteries usagées », a déclaré Chen.
Le procédé commence par l’ouverture des batteries usagées et le déroulement de leur structure interne, appelée « rouleau de gelée » en raison de ses couches étroitement enroulées. Une fois déroulé et découpé en feuilles, le matériau est trempé dans l’eau, où une légère agitation mécanique permet de séparer le revêtement de la cathode de la feuille d’aluminium qui le supporte. « La feuille d’aluminium peut également être recyclée séparément », a précisé Li.
Il reste alors une matière noire et visqueuse contenant les résidus de la cathode LFP. Après élimination de l’eau, la matière est séchée puis broyée en une poudre noire.
La cathode LFP usagée est valorisée. De gauche à droite : préparation d’un bocal de billes de zircone auquel on ajoute un mélange de poudres (composé de LFP usagé et de sels) ; le mélange est placé dans un broyeur à billes où les billes de zircone, en heurtant la poudre, la broient et l’homogénéisent en particules plus fines ; la poudre ainsi traitée est isolée ; enfin, le mélange de poudres de LFP et de sels est placé dans un four. Crédit : David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering
Un intermédiaire résout le problème d’appariement.
Les chercheurs ajoutent ensuite des sels de lithium, de manganèse et de phosphate. Ces derniers fournissent les ingrédients nécessaires à la transformation du LFP en LMFP. Mais un problème subsiste : les sels ont une structure cristalline différente de celle du LFP, ils ne peuvent donc pas se mélanger naturellement.
« Leurs structures sont incompatibles », a déclaré Li. « Si elles sont mélangées directement, la distribution atomique du produit final ne sera pas uniforme et ses performances électrochimiques seront inférieures. »
La stratégie de l’équipe consistait à créer un matériau intermédiaire appelé phosphate de lithium et de manganèse (LMP). Contrairement aux sels d’origine, le LMP possède une structure cristalline très proche de celle du LFP, ce qui rend les deux matériaux compatibles pour le mélange.
Pour que cette transformation ait lieu, le mélange de poudres – contenant du LFP usagé et des sels – est d’abord broyé mécaniquement et mélangé en particules plus fines. Ce mélange permet également de répartir les ingrédients de manière homogène et de les mettre en contact étroit.
La poudre est ensuite isolée et chauffée. « C’est là que se produit la chimie passionnante », a déclaré Chen.
Lorsqu’on chauffe la poudre, les sels réagissent d’abord pour former du LMP. Comme le LMP et le LFP ont des structures cristallines presque identiques, ils peuvent se combiner de manière plus homogène que les ingrédients d’origine.
Au fur et à mesure que le chauffage se poursuit, les atomes de manganèse se répartissent progressivement dans le matériau et remplacent certains atomes de fer. Ce réarrangement atomique transforme le mélange en une structure LMFP unique et uniforme.
Durant cette étape, une fine couche de carbone se forme autour de chaque particule. Cette couche améliore la conductivité électrique et protège le matériau lors des cycles de charge-décharge répétés.
Des cellules de laboratoire aux formats plus grands
Le résultat est un matériau de batterie recyclé qui stocke plus d’énergie que la batterie LFP d’origine tout en préservant sa durabilité et sa sécurité.
Des chercheurs ont démontré que leur méthode de recyclage fonctionne sur différents types de piles LFP usagées provenant de divers fabricants. Elle peut également être mise à l’échelle jusqu’à des quantités de l’ordre du kilogramme. De plus, le matériau recyclé offre des performances fiables aussi bien dans les piles boutons de laboratoire que dans les piles à sachet de plus grande taille, similaires à celles utilisées dans les véhicules électriques commerciaux et les systèmes de stockage d’énergie.
Les prochaines étapes consistent à optimiser davantage l’efficacité et le rendement du procédé afin d’améliorer sa viabilité industrielle. Les chercheurs étudieront également comment mieux contrôler la morphologie et la composition lors du recyclage afin d’accroître encore les performances du produit LMFP.
