Le recyclage direct est la méthode la moins énergivore de recyclage d’une batterie lithium-ion. Crédit : Centre ReCell
Comment rentabiliser le recyclage des batteries ? Les scientifiques du Centre ReCell ont franchi une nouvelle étape vers cet objectif.
Les batteries lithium-ion sont les moteurs de notre présent et de notre avenir technologiques. Ils alimentent les appareils électroniques portables, tels que les smartphones, les ordinateurs portables et les véhicules électriques (VE), qui gagnent en popularité. Mais l’utilisation croissante des batteries lithium-ion, en particulier dans les automobiles, a dépassé la technologie pour les recycler. Aujourd’hui, les scientifiques du ReCell Center – le premier centre de recherche et de développement avancé sur le recyclage des batteries du pays, dont le siège est au Laboratoire national d’Argonne du ministère de l’Énergie (DOE) – ont fait une découverte cruciale qui élimine l’un des plus grands obstacles à la réalisation de recyclage des batteries lithium-ion économiquement viable.
Les procédés de recyclage utilisés aujourd’hui permettent de récupérer les métaux sous des formes de faible valeur pour les fabricants de batteries. Un énorme problème se profile à l’horizon : dans moins d’une décennie, les chercheurs prévoient que deux millions de tonnes de batteries lithium-ion en fin de vie des véhicules électriques seront retirées chaque année. Le nombre de batteries de véhicules électriques en fin de vie est actuellement faible, mais il est sur le point d’augmenter considérablement à mesure que les anciens modèles de véhicules atteignent la fin de leur durée de vie utile – et l’infrastructure de recyclage actuelle n’est pas prête pour l’afflux.
« Si l’industrie des batteries va acheter du matériau cathodique recyclé à réutiliser dans de nouvelles batteries, elle ne sacrifiera pas la pureté. » — Jessica Durham, scientifique des matériaux à Argonne et co-auteur de l’étude
Des chercheurs de la Michigan Technological University (MTU), qui font partie de l’équipe ReCell, ont mis au point un procédé innovant pour séparer les matériaux précieux qui composent la cathode, l’électrode chargée positivement d’une batterie.
Les scientifiques du centre de recherche en génie des matériaux d’Argonne étendent le processus de séparation innovant de MTU, ouvrant la voie au recyclage à grande échelle des batteries de véhicules électriques. Étant donné que les matériaux des cathodes des batteries EV varient selon le constructeur automobile et l’année de production, un recycleur doit utiliser un mélange d’oxydes de lithium métallique – oxyde de lithium cobalt, oxyde de lithium nickel manganèse cobalt, oxyde d’aluminium lithium nickel cobalt, phosphate de fer lithium, etc. – et séparer chacun afin que ces matériaux soient réutilisés. Cette tâche autrefois impossible semble soudainement réalisable.
Le recyclage direct et la réutilisation des matériaux de cathode de batterie boucle la boucle. Crédit : Centre ReCell
Dans un nouvel article publié dans la revue scientifique à comité de lecture Technologie de l’énergie, les chercheurs de MTU et de ReCell détaillent leur découverte : une méthode de séparation des matériaux cathodiques individuels en utilisant une nouvelle version d’un ancien processus appelé flottation par mousse.
Utilisée depuis de nombreuses années par l’industrie minière pour séparer et purifier les minerais, la flottation par mousse sépare les matériaux dans un réservoir de flottation selon qu’ils repoussent l’eau et flottent, ou qu’ils absorbent l’eau et coulent. Généralement, les matériaux cathodiques coulent, ce qui les rend difficiles à séparer les uns des autres. C’est le cas de l’oxyde de lithium nickel manganèse cobalt (NMC111) et de l’oxyde de lithium manganèse (LMO), deux matériaux de cathode de batterie EV courants que l’équipe ReCell a utilisés dans ses expériences. Ce que les chercheurs ont découvert, c’est que la séparation peut être obtenue en faisant flotter l’un des matériaux cathodiques, le NMC111, via l’introduction d’un produit chimique qui fait que le matériau cible repousse l’eau.
Une fois les matériaux cathodiques séparés, les chercheurs ont déterminé par des tests que le processus avait un impact négligeable sur les performances électrochimiques des matériaux. Les deux avaient également des niveaux de pureté élevés (95 pour cent ou plus).
« C’est très important », déclare Jessica Durham, scientifique des matériaux chez Argonne et co-auteur de l’étude, « car si l’industrie des batteries va acheter du matériau cathodique recyclé à réutiliser dans de nouvelles batteries, elle ne sacrifiera pas la pureté. “
La recherche est liée à la mission du Centre ReCell de faire progresser des méthodes de traitement moins énergivores et de capturer des matériaux précieux pour un recyclage direct – la récupération, la régénération et la réutilisation des composants de la batterie directement sans décomposer la structure chimique. Le centre est le fruit d’une collaboration entre Argonne, le Laboratoire national des énergies renouvelables du DOE et le Laboratoire national d’Oak Ridge, l’Université technologique du Michigan, l’Université de Californie à San Diego et le Worcester Polytechnic Institute.
La découverte de ReCell promet d’avoir des implications de grande envergure, telles que la réduction du coût de recyclage des batteries lithium-ion ; stimuler la croissance d’un marché rentable du recyclage des batteries lithium-ion en fin de vie ; réduire le coût des véhicules électriques pour les producteurs et les consommateurs ; permettre aux États-Unis d’être compétitifs dans l’industrie mondiale du recyclage des piles ; renforcer l’indépendance énergétique des États-Unis en augmentant l’utilisation de sources nationales de matériaux de batterie recyclés ; et réduire la dépendance des États-Unis vis-à-vis des sources étrangères de matériaux.
Mais pour l’instant, l’équipe du ReCell Center se concentre sur la création, étape par étape, d’un processus de recyclage complet pour les batteries lithium-ion qui soit économiquement viable. Ce n’est qu’alors qu’il sera largement adopté.
« Quelle que soit la méthode utilisée pour effectuer ce recyclage, le recycleur doit pouvoir en tirer profit », explique Durham. « Nous assemblons les étapes en sachant qu’en fin de compte, l’ensemble du processus devra être rentable. »
Référence : « Recyclage direct des matériaux cathodiques mélangés par flottation par mousse » par Tinu-Ololade Folayan, Albert L. Lipson, Jessica L. Durham, Haruka Pinegar, Donghao Liu et Lei Pan, 29 juillet 2021, Technologie de l’énergie.
DOI : 10.1002/ent.202100468
Les autres co-auteurs de l’étude à Argonne incluent Albert Lipson, scientifique principal des matériaux et Haruka Pinegar, chercheur postdoctoral.
Cette recherche et le Centre ReCell sont financés par l’Office de l’efficacité énergétique et des énergies renouvelables du DOE, Vehicle Technologies Office.
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