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8 Fév, 2018

Un processus de recyclage simple et écoénergétique pour les batteries au lithium-ion

Un processus de recyclage simple et écoénergétique pour les batteries au lithium-ion

Un nouveau processus de recyclage simple restaure les vieilles cathodes de batterie au lithium à l’état neuf en utilisant la moitié de l’énergie des processus actuels. Contrairement aux méthodes de recyclage d’aujourd’hui, qui décomposent les cathodes en éléments séparés qui doivent être reconstitués, la nouvelle technique ressort des composés prêts à être incorporés dans une nouvelle batterie.

La méthode fonctionne sur les batteries lithium-oxyde de cobalt utilisées dans les ordinateurs portables et les smartphones, ainsi que sur les batteries lithium-nickel-manganèse-cobalt complexes que l’on trouve dans les voitures électriques.

Les batteries au lithium ont des anodes en graphite et des cathodes en oxydes de lithium métal, où le métal est une combinaison de cobalt, de nickel, de manganèse et de fer. Moins de 5% des vieilles batteries au lithium sont recyclées aujourd’hui. Alors que des millions de grosses batteries EV prendront leur retraite au cours de la prochaine décennie, nous enverrons à la décharge de bien plus grandes quantités de déchets toxiques et inflammables. De plus, ces déchets contiennent des métaux précieux. Il y a de sérieuses inquiétudes sur le fait que les réserves de métaux critiques comme le cobalt et le lithium diminuent. Le recyclage sera la clé si nous voulons suivre la demande de la batterie.

Plusieurs entreprises, principalement en Chine, traitent déjà des batteries. La procédure standard nécessite de broyer les batteries, puis de les faire fondre ou de les dissoudre dans de l’acide. Ce qui sort à la fin sont des métaux distincts comme le cobalt, le lithium, le nickel et le manganèse. Selon Zheng Chen, professeur de nano-ingénierie à l’Université de Californie à San Diego, les méthodes détruisent ce qui est le plus précieux sur les cathodes de batterie.

« Le matériau se présente sous la forme de belles particules bien conçues avec une structure microscopique spécifique qui détermine les performances de la batterie », explique-t-il. « Beaucoup d’ingénierie, d’énergie et de temps sont nécessaires pour fabriquer ces structures. »

La méthode simple développée par Zheng Chen et ses collègues préserve cette microstructure. Les chercheurs ont d’abord recyclé des piles au lithium commerciales jusqu’à ce qu’elles aient perdu la moitié de leur capacité de stockage d’énergie. Ils ont retiré le matériau de la cathode de leur substrat en feuille d’aluminium et l’ont trempé dans un bain de sel de lithium chaud. Ensuite, ils ont séché la solution pour obtenir de la poudre, qu’ils ont rapidement chauffée à 800 degrés C puis refroidi très lentement.

Le processus restaure la structure atomique du matériau de la cathode et réinjecte les ions de lithium dans celui-ci. Et il utilise la moitié de l’énergie des processus conventionnels. Les chercheurs ont fabriqué de nouvelles cellules de batterie avec le matériau de la cathode régénérée. Les nouvelles cathodes ont montré la même capacité de stockage d’énergie, le même temps de charge et la même durée de vie que les originales. Les résultats sont publiés dans la revue Green Chemistry.

Deux autres sociétés poursuivent une technologie similaire de «recyclage direct» qui régénère tout le matériau de la cathode structurée. La société de batteries basée à San Francisco, Farasis Energy et Bend, et dans l’Oregon, la start-up OnTo Technologies, développent la technologie et tentent de la développer. Les processus sont tous légèrement différents les uns des autres.

Plus il y aura d’acteurs dans ce domaine, mieux cela sera, affirme Linda Gaines, analyste des systèmes de transport à l’Argonne National Laboratory. La chimie et le design cellulaire des batteries lithium-ion évoluent rapidement. «Les technologies de recyclage direct pourraient permettre la récupération de produits de grande valeur à partir de formulations de batteries plus récentes», dit-elle.

Mais l’un des plus grands défis est de trouver de meilleurs moyens de séparer le matériau de la cathode du reste de la batterie – Zheng Chen et son équipe le font manuellement – et de montrer que le processus est économique à grande échelle.

Zheng Chen affine maintenant son processus afin qu’il puisse être utilisé pour n’importe quel matériau de batterie au lithium. Il est également en pourparlers avec une entreprise chinoise de traitement de batteries qui est intéressée par l’adoption de la nouvelle méthode de recyclage.

http://jacobsschool.ucsd.edu/news/news_releases/release.sfe?id=2454

http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/gc/c7gc02831h#!divAbstract