Recyclage des piles au lithium

Les piles au lithium contiennent des éléments précieux tels que le cobalt et le nickel que les fabricants souhaitent recycler pour les réutiliser, car cela permet de réduire les besoins en matière d'extraction et de traitement, de diminuer les coûts et les émissions.

Certaines entreprises sont déjà engagées dans le recyclage des piles. Elles déchiquettent généralement les piles usagées en une masse noire qu'elles font fondre ou dissoudre pour en extraire les métaux.

Broyage mécanique

Les piles au lithium étant de plus en plus omniprésentes dans les technologies modernes, leur recyclage a également augmenté. C'est d'autant plus important que leurs composants ont une grande valeur et sont limités. Le recyclage des piles au lithium permet de réduire les déchets tout en conservant l'énergie qui serait autrement utilisée pour en produire de nouvelles ; en outre, le recyclage nous permet de réutiliser des matières premières précieuses, ce qui réduit la demande de matières premières fraîches.

L'une des méthodes de recyclage des piles consiste à les écraser mécaniquement. Ce processus s'apparente à l'exploitation minière, dans laquelle les matières premières sont brisées en petits morceaux en vue d'un traitement ultérieur ; il peut être réalisé manuellement ou à l'aide de machines spécialisées. Une fois broyés, les fragments issus du recyclage des piles peuvent être soumis à des processus de séparation chimique, de séparation mécanique et/ou de fusion avant d'être remis en service.

Le broyage fait partie intégrante du recyclage des batteries lithium-ion et peut prendre la forme de méthodes de broyage humide ou sec. Le broyage par voie humide peut s'avérer plus difficile, car le mouillage force les différents composants à se lier plus étroitement que souhaité, tandis que le broyage par voie sèche permet aux caractéristiques de broyage sélectif des piles au lithium usagées de passer au premier plan, libérant les matériaux actifs de la cathode de la feuille d'aluminium collectrice, ce qui facilite les processus de récupération ultérieurs.

Le tri est un autre élément clé du recyclage des piles. Il permet d'éliminer certains des composants en plastique des piles et d'isoler leurs composants métalliques ; les premiers peuvent alors être réutilisés, tandis que les seconds servent à fabriquer de nouvelles piles au lithium. Le tri est souvent effectué à l'aide d'aimants qui permettent de séparer les différents éléments des piles.

La séparation mécanique fait partie de l'étape finale du recyclage des piles. Elle comprend le tamisage à air, le concassage et le tamisage. Cette méthode présente de nombreux avantages, notamment celui d'éviter les températures élevées tout en récupérant certains des composants les plus coûteux, tels que le nickel et le cobalt.

Traitement hydrométallurgique

Dans la plupart des installations de recyclage des piles au lithium, les piles usagées sont d'abord séparées en fonction de leurs caractéristiques chimiques et physiques avant d'être envoyées dans une usine de traitement hydrométallurgique pour la récupération des métaux sous forme ionique à partir des masses noires de matériaux de cathode et d'anodes en graphite. Les métaux sont séparés à l'aide d'acides forts ou d'agents oxydants en oxydes, sulfates ou hydroxydes qui sont ensuite revendus aux fabricants pour être réutilisés dans de nouvelles batteries.

Certains recycleurs de piles utilisent également le processus connu sous le nom de "pyrométallurgie". Il s'agit de chauffer les piles usagées dans un four à 1500 degrés Celsius pendant trois à quatre heures pour brûler la plupart des matériaux à base de carbone et produire des alliages métalliques mixtes et des scories composées de cuivre, de nickel, d'aluminium, de manganèse et de cobalt. Malheureusement, cette méthode nécessite une dépense d'énergie importante et ne permet de récupérer qu'un faible pourcentage des métaux précieux contenus dans les piles.

L'hydrométallurgie est une nouvelle approche innovante du recyclage des piles qui utilise l'eau au lieu de températures élevées pour réduire la taille des ions métalliques en les dissolvant dans un acide, puis en les extrayant de la solution. L'hydrométallurgie présente de nombreux avantages dans le cadre du recyclage des piles : elle consomme moins d'énergie que la pyrométallurgie ou les méthodes de broyage mécanique, et elle convient à pratiquement tous les types de cellules et de compositions chimiques.

Northvolt et Redwood Materials ont levé des milliards auprès d'investisseurs publics et privés pour construire de grandes usines de recyclage de batteries dans le Nevada et en Europe, non seulement dans un but lucratif, mais aussi pour minimiser l'impact sur l'environnement grâce à la réduction des émissions de carbone et à la réduction des coûts au cours des processus de récupération.

La biolixiviation, qui utilise le métabolisme des micro-organismes pour dissoudre les matériaux des batteries usagées, est une autre approche prometteuse pour réduire les coûts et augmenter les taux de récupération. Des chercheurs de l'université de Californie ont utilisé des bactéries chimiolithotrophes Acidithiobacillus ferrooxidans pour lixivier le matériau cathodique LiCoO2 usagé des piles au lithium ; leurs tests ont montré qu'elles produisaient de l'acide sulfurique et des ions de fer qui pouvaient ensuite être extraits des déchets à des fins de récupération.

Réactions chimiques

Le lixiviat, processus par lequel l'eau de pluie filtre à travers les déchets et acidifie le sol, empoisonnant la vie végétale et polluant les eaux souterraines, doit être évité lors du recyclage des piles. Pour y parvenir, les recycleurs doivent s'assurer que les piles ont été complètement déchargées avant d'entrer dans leur processus de recyclage, faute de quoi les produits chimiques et les métaux contenus dans leurs cellules peuvent s'échapper dans l'environnement et menacer la vie végétale et les sources d'approvisionnement en eau. Pour lutter contre les effets du lixiviat, les recycleurs doivent s'assurer que les piles ont été complètement déchargées avant d'être recyclées, faute de quoi les produits chimiques et les métaux contenus dans leurs éléments pourraient s'échapper et polluer à la fois les écosystèmes et les sources d'eau souterraine. Afin d'empêcher la formation de lixiviats, les recycleurs doivent s'assurer que les piles ont été complètement déchargées avant d'entamer leur processus de recyclage afin de minimiser leur impact négatif sur l'environnement et de garantir qu'aucun risque environnemental ne survient au cours de leur processus de recyclage - dans le cas contraire, les produits chimiques contenus dans les piles peuvent s'infiltrer dans l'environnement, les produits chimiques contenus dans les piles peuvent s'infiltrer dans l'environnement par des fuites dans les cours d'eau, ce qui a pour effet d'empoisonner la vie végétale tout en polluant les eaux souterraines contamination par des fuites dans les sources d'eaux souterraines ou par le filtrage des eaux de pluie par les déchets et d'acidifier le sol acidifié la pollution des eaux souterraines empoisonnant ainsi la vie végétale tout en polluant les eaux souterraines polluées par les déchets filtrés par les eaux de pluie par les déchets filtrés dans les eaux souterraines polluées acidifiées le processus d'acidification du sol pour contrôler ce problème décharge complète avant d'entrer dans le processus de recyclage, sinon fuite, les métaux toxiques contenus dans les piles peuvent s'échapper dans l'environnement par les piles dans l'environnement par les piles fuite dans les sources d'eau souterraine ou pire ! Pour lutter contre ce problème, les entreprises de recyclage doivent s'assurer que les piles sont complètement déchargées avant d'entrer dans le processus de recyclage afin de minimiser les fuites dans les sources d'eau souterraine, les sources d'eau souterraine empoisonnées et donc polluées avant d'acidifier les sources d'eau souterraine, ce qui empoisonne les sources d'approvisionnement en eau souterraine ; les piles recyclées doivent donc acidifier la contamination des eaux souterraines au cours de leur transport dans les sources d'eaux souterraines en se dégradant avant d'être recyclées dans un autre processus de recyclage, ce qui entraîne des dommages environnementaux à l'intérieur des piles avant d'entrer dans le processus de recyclage, en laissant une certaine forme de fuite dans les sources d'eaux souterraines sous forme de fuite via une fuite dans les sources d'eaux souterraines avant d'entrer dans le processus de recyclage. les piles doivent être complètement déchargées avant d'entrer dans le processus de recyclage, faute de quoi des fuites se produiraient car les produits chimiques et les métaux s'échapperaient dans l'environnement en raison de fuites avant d'entrer dans le processus de recyclage les recycleurs doivent s'assurer que l'environnement est préservé après l'entrée dans le processus de recyclage, faute de quoi des fuites se produiraient entre les piles et les fuites, faute de quoi des fuites se produiraient.

L'hydrométallurgie, la principale méthode de recyclage des batteries, consiste à démanteler, déchiqueter et faire fondre ou dissoudre des matériaux à haute température afin de produire une masse noire poudreuse composée de métaux cathodiques (nickel, manganèse et cobalt) mélangés à de l'hydroxyde ou du carbonate de lithium, qui peut ensuite être utilisée pour produire de nouvelles batteries lithium-ion ou vendue comme matière première à d'autres fabricants de batteries.

Les recycleurs reconnaissent que le recyclage des piles est coûteux et consomme beaucoup d'énergie. Afin de réduire leur impact sur l'environnement, ils ont mis au point des techniques innovantes pour rendre le processus plus rentable. Certains ont mis au point des approches plus sophistiquées utilisant des réactions chimiques plutôt que des températures élevées pour récupérer les métaux de la cathode ; cela permet aux recycleurs d'utiliser différentes chimies de piles tout en évitant les coûts associés à la fonte ou à la dissolution des matériaux dans un liquide.

Northvolt, une entreprise suédoise de recyclage de batteries, a mis en place avec succès une installation de recyclage à Skelleftea et en ouvrira une autre près de son usine de production au Québec en 2024 en utilisant la technologie Revolt Ett - qui convertit les sulfates de nickel, de manganèse et de cobalt en hydroxydes à l'aide de procédés hydrométallurgiques ; ces matériaux recyclés peuvent ensuite être utilisés pour fabriquer les nouvelles batteries de Northvolt ou être vendus à d'autres fabricants de batteries à des fins de recyclage.

L'installation Revolt Ett de Northvolt peut traiter la plupart des chimies de batteries, en se concentrant principalement sur celles qui contiennent du nickel et du cobalt, car ces matériaux sont plus difficiles à trouver que les ions lithium utilisés dans les batteries. Northvolt travaille sur d'autres méthodes qui lui permettront de recycler efficacement davantage de composants de batteries, tels que les boîtiers en polymère et les anodes.

Les chercheurs ont également progressé dans la remise à neuf des cathodes, le délicat cristal qui alimente les piles en tension. Une étude publiée dans Joule a montré que les piles utilisant des cathodes recyclées étaient aussi efficaces que celles fabriquées à partir de cathodes nouvellement extraites.

Recyclage direct

Le recyclage direct est une méthode qui permet de récupérer, de régénérer et de réutiliser directement les composants des batteries sans démonter au préalable leur structure chimique. En tant qu'approche émergente du recyclage des batteries lithium-ion (LIB), le recyclage direct peut améliorer de manière significative l'efficacité du recyclage tout en minimisant les empreintes économiques et environnementales. Le recyclage direct a prouvé sa valeur par rapport à la pyrométallurgie ou à l'hydrométallurgie en termes de rentabilité, d'efficacité énergétique, de durabilité et de préservation de la structure des matériaux, ce qui raccourcit l'ensemble des voies de recyclage tout en améliorant la qualité des matériaux régénérés.

Mais cette stratégie se heurte à de nombreux obstacles qui entravent sa mise en œuvre pratique, qu'il s'agisse des processus de désassemblage, de tri et de séparation, des limitations technologiques ou des préoccupations sociétales.

Les chercheurs et les recycleurs travaillent d'arrache-pied pour mettre au point des techniques de recyclage direct améliorées qui garantissent la viabilité commerciale, comme le processus de Kyburz Switzerland qui consiste à scier les batteries en fin de vie à l'aide d'une technique de décapage innovante, puis à reformer leurs électrodes pour en faire de nouvelles cellules, ce qui rend cette méthode plus efficace que les méthodes traditionnelles de déchiquetage et de séparation.

Ce processus a été adapté à diverses chimies de cellules LIB, ainsi qu'à des matériaux de cathode et d'anode. Cette technologie devrait accroître l'efficacité de la production de batteries tout en réduisant les activités d'extraction et de traitement qui sont généralement coûteuses, gourmandes en ressources et préjudiciables à l'environnement.

Il convient également d'examiner la manière dont ces technologies pourraient influencer l'économie circulaire. Les fabricants de piles doivent donner la priorité aux efforts de recyclage, promouvoir les efforts de normalisation et mettre en œuvre des protocoles de partage d'informations. Ce faisant, il est possible de réduire les déchets tout en créant une chaîne d'approvisionnement efficace qui fournit des matières premières essentielles à l'industrie mondiale de la fabrication de batteries. Les entreprises intéressées par une collaboration avec Argonne dans le cadre de ces efforts peuvent contacter Jeff Spangenberger, chef du groupe de recherche pour le recyclage des matériaux et le groupe des réactions au laboratoire national d'Argonne. L'Argonne National Laboratory apporte des solutions aux problèmes nationaux urgents en matière de science et de technologie grâce à la recherche fondamentale et appliquée dans pratiquement toutes les disciplines scientifiques. Exploité par UChicago Argonne LLC pour le compte de l'Office of Science du ministère de l'énergie.