Les défis du recyclage des piles au lithium

Les piles au lithium qui ne sont pas correctement recyclées peuvent libérer des métaux toxiques dans l'environnement, qui peuvent ensuite être inhalés dans vos poumons et causer des problèmes de santé tels que des affections cardiovasculaires et pulmonaires.

La plupart des piles au lithium sont recyclées en les réduisant en poudre avant d'être fondues (pyrométallurgie) ou dissoutes dans de l'acide (hydrométallurgie). Ces deux procédés consomment de grandes quantités d'énergie tout en émettant des gaz à effet de serre dans l'environnement.

La poudre de cathode recyclée est plus poreuse que la poudre de cathode fabriquée commercialement

Les cathodes sont au cœur de chaque batterie lithium-ion, dont elles déterminent la tension et les performances. Pour produire des cathodes de haute qualité, les matériaux doivent avoir une porosité élevée (surface permettant aux ions lithium de se déplacer entre l'anode et la cathode). Des cathodes plus poreuses signifient donc des capacités de stockage d'énergie plus importantes. En fait, une étude a montré que la poudre de cathode recyclée était plus poreuse que la poudre de cathode fabriquée dans le commerce, ce qui permettait aux batteries assemblées à partir de matériaux recyclés d'avoir des performances similaires à celles des batteries fabriquées à partir de matériaux vierges.

La recherche a été menée à l'université de Californie, à Irvine, par des chercheurs dirigés par Nikhil Gupta. S'appuyant sur des travaux antérieurs qui montraient que l'utilisation de matériaux cathodiques recyclés pouvait accroître l'efficacité des batteries et prolonger leur durée de vie, ils ont utilisé un nouveau procédé pour produire une poudre cathodique trois fois plus poreuse que la méthode traditionnelle. Le cisaillement, le broyage, la lixiviation acide, le tri par taille de particule, la chimie et le traitement permettent de produire des cathodes à haute performance qui sont ensuite mélangées à des électrolytes liquides et traitées avant d'être mélangées à nouveau pour former des cathodes à haute performance qui durent plus longtemps à l'usage que les méthodes de production traditionnelles utilisées à partir de sources recyclées.

Les batteries lithium-ion ont besoin d'un électrolyte liquide pour conduire les ions entre l'anode et la cathode, appelé électrolyte. Généralement composé de sels inorganiques dissous dans des solvants organiques non aqueux tels que le carbonate de propylène ou des mélanges de carbonates d'éthylène avec des carbonates aliphatiques tels que les méthylcarbonates de diméthyle, de diéthyle et d'éthyle), cet élément joue un rôle essentiel dans les performances de la batterie. Pour une performance optimale de la batterie, il doit assurer une interface à faible résistance - le choix d'un électrolyte est d'une importance capitale pour la performance de la batterie.

Le recyclage des piles au lithium implique traditionnellement de les déchiqueter et de les faire fondre mécaniquement ou de les dissoudre dans de l'acide. Malheureusement, ces procédés nécessitent des quantités excessives d'électricité, tout en produisant une masse de métaux difficile à recycler. Cette recherche propose un "recyclage direct de la cathode", une alternative qui permet d'économiser de l'énergie.

Le recyclage direct des cathodes consiste à démonter une batterie en ses différents éléments et à les trier en fonction de leurs propriétés physiques. Tout d'abord, un cisaillement est effectué sous atmosphère inerte ; ensuite, les matériaux sont concassés et broyés en fractions fines à des fins de séparation et de purification. Ce processus permet d'éliminer les impuretés telles que l'aluminium et le cuivre, susceptibles d'entraver les performances, ainsi que les ions de métaux de transition tels que Ni2+ et Co2+ de la solution, pour ne laisser que des sels de lithium et du graphite comme produits de sortie.

C'est moins cher que de la poudre de cathode neuve

Les batteries au lithium-ion utilisées dans les voitures électriques et les smartphones, ainsi que les jouets pour enfants, les e-cigarettes et les ordinateurs portables, peuvent souvent être recyclées. Toutefois, le processus est souvent lourd et coûteux, ce qui a dissuadé de nombreuses entreprises de se lancer dans le recyclage ; cependant, les chercheurs travaillent sur des solutions pour rendre le recyclage plus simple, moins cher, plus rapide et plus respectueux de l'environnement.

Les piles au lithium sont fabriquées à partir de divers matériaux, dont le cuivre et le cobalt. Bien que ces métaux soient essentiels à la production des piles, leur extraction peut être dangereuse en raison de la production de déchets toxiques, tout en contribuant au changement climatique par l'émission de gaz à effet de serre au cours des processus d'extraction. Le recyclage des piles est une solution qui permet de réduire la demande de ces ressources tout en atténuant leur impact sur l'environnement.

Le recyclage peut contribuer à protéger nos précieuses ressources en évitant qu'elles ne soient mises en décharge, où elles pourraient nuire à l'environnement. Il permet également de réduire la consommation d'énergie pour produire des matières premières dont la production est coûteuse (ce qui contribue aux émissions de gaz à effet de serre) ou d'éviter l'exploitation des travailleurs du tiers monde qui extraient le cobalt ou d'autres minerais dans des conditions peu sûres.

La méthode classique de recyclage des batteries lithium-ion consiste à déchiqueter et à purifier leurs composants pour en extraire la cathode. Malheureusement, cette méthode est à la fois coûteuse et inefficace pour produire des produits de qualité. Heureusement, les chercheurs développent des procédés alternatifs qui préservent les cathodes intactes afin qu'elles puissent être vendues intactes ; ces procédés seront beaucoup moins coûteux et respectueux de l'environnement que leurs homologues traditionnels.

Bien que les batteries lithium-ion puissent souvent être recyclées, chaque cycle peut réduire légèrement leur pureté. Il est donc recommandé aux consommateurs de trouver un point de collecte local pour les piles au lithium usagées. Bien qu'elles soient suffisamment sûres pour être jetées à la poubelle, les piles au lithium-ion contiennent des produits chimiques nocifs qui peuvent corroder les objets à proximité s'ils sont laissés trop longtemps à l'abandon. Par conséquent, l'utilisation d'un service de recyclage approprié ou la consultation du fabricant pour obtenir des instructions peuvent garantir une élimination en toute sécurité.

C'est plus sûr que la nouvelle poudre cathodique

Les piles au lithium font désormais partie intégrante des véhicules électriques (VE) et d'autres produits à énergie propre, mais elles doivent être recyclées de manière responsable afin d'éviter tout risque d'incendie ou de fuite de produits chimiques toxiques dans l'environnement. Il convient d'utiliser les centres de recyclage des piles plutôt que de les jeter ; les bacs de recyclage bleus ou jaunes pourraient les endommager pendant le traitement et présenter des risques d'incendie ; il est préférable de les déposer dans l'un des sept centres de recyclage des produits chimiques et des piles à domicile.

Ces centres sont spécialisés dans le recyclage des piles au lithium que l'on trouve dans des produits tels que les outils électriques, les appareils photo numériques, les jouets pour enfants, les e-cigarettes et les ordinateurs portables. En outre, ils proposent des solutions d'élimination sûres pour les grosses batteries de wattheures utilisées dans les voitures ou les maisons, mais ne peuvent pas accepter les petites batteries de wattheures, car elles sont trop dangereuses. Si vous possédez l'une de ces grosses batteries de wattheures et que vous souhaitez la recycler, rendez-vous dans l'un des sept centres de recyclage !

Pour recycler une pile au lithium, il faut d'abord la déchiqueter et séparer de sa cathode les composants les moins coûteux, comme le boîtier en acier de la pile et les circuits électroniques. Les scientifiques extraient ensuite des éléments, notamment la "masse noire", un extrait composé de nickel, de cobalt, d'aluminium et de manganèse qui contient des métaux rares et coûteux ; cette poudre peut ensuite être reconditionnée et mélangée à des éléments frais pour améliorer les performances, ce qui permet d'économiser des métaux rares qui, autrement, auraient été perdus.

Le recyclage des batteries au lithium est un autre excellent moyen de lutter contre les pénuries mondiales de minéraux clés tels que le cobalt et le nickel, dont les ruptures d'approvisionnement périodiques menacent l'efficacité et la durée de vie des véhicules électriques. Le recyclage peut également contribuer à remédier aux pénuries mondiales de minéraux de ce type en aidant à répondre plus directement aux demandes d'approvisionnement mondiales.

Ce processus ressemble aux techniques pyrométallurgiques standard mais nécessite moins d'énergie et de production de déchets que les autres techniques de recyclage. En tant qu'alternative efficace à la pyrométallurgie - qui consomme généralement beaucoup d'énergie tout en produisant des sous-produits toxiques - et aux méthodes d'hydrométallurgie (qui impliquent la récupération des métaux par des moyens chimiques), cette méthode présente des taux de récupération des métaux supérieurs à ceux de ces seules techniques.

Il est plus respectueux de l'environnement

Le recyclage des batteries peut contribuer à réduire l'impact environnemental associé aux véhicules électriques (VE) et aux appareils utilisant des batteries au lithium, tels que les ordinateurs portables. Le recyclage permet de conserver des matériaux précieux, de fournir des sources d'énergie renouvelables et de réduire les besoins en matière d'exploitation minière, tout en diminuant les volumes de déchets mis en décharge. Malheureusement, le recyclage des piles n'est pas sans poser de problèmes.

Pour être recyclées, les piles doivent d'abord être complètement déchargées, car les piles au lithium sont dangereuses si elles ne sont pas mises en suspension. Une fois prêtes pour le recyclage, elles doivent être décomposées et déchiquetées en petits morceaux avant d'être fondues ou dissoutes pour en récupérer les métaux. Ce processus peut produire des poussières en suspension dans l'air qui contaminent l'environnement et peuvent entraîner des maladies respiratoires ; le lithium est considéré comme un métal dangereux, il est donc essentiel de le manipuler avec précaution.

Les chercheurs de la Faraday Institution, au Royaume-Uni, sont aujourd'hui les pionniers d'une nouvelle méthode de recyclage des piles au lithium, à l'aide d'une sonde à ultrasons "semblable à celle qu'utilisent les dentistes pour le nettoyage des dents", explique M. Gupta. La focalisation des ultrasons sur les surfaces crée de minuscules bulles qui implosent et font exploser le revêtement, ce qui permet de récupérer des cathodes et des anodes d'une valeur considérable.

En outre, le recyclage contribue à la protection de l'environnement en réduisant les émissions de carbone dues à l'exploitation minière. Selon les estimations de l'Institut McKinsey, le recyclage généralisé des piles pourrait réduire les émissions de carbone de 25% par kilowattheure. Pour que le recyclage des piles soit un succès, il faut réussir à extraire les métaux précieux sans endommager la cathode ou l'anode.

Les piles au lithium contiennent des métaux précieux comme le nickel et le cobalt qui sont utilisés dans les véhicules électriques (VE) et les appareils électroniques, mais il est important de garder à l'esprit qu'elles ne doivent jamais être placées dans les bacs de recyclage bleus ou jaunes - ces risques d'incendie doivent être pris en charge par des installations de recyclage spécialisées. Si vous devez recycler des piles au lithium pour quelque raison que ce soit, il vous suffit d'envelopper leurs bornes dans du ruban adhésif non conducteur (électrique, d'emballage transparent ou en toile) avant de les déposer dans l'un des sept centres de recyclage et de produits chimiques à domicile de l'Autorité ou chez les détaillants qui les acceptent pour le recyclage.