Une recherche révolutionnaire rend le recyclage des batteries plus économique

Comment rendre le recyclage des batteries rentable ? Les scientifiques du ReCell Center ont fait un pas de plus vers cet objectif.

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Par Jake Malooley

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 développement avancé sur le recyclage des batteries du pays, dont le siège est au Laboratoire national d'Argonne du Département de l'énergie (DOE) - ont fait une découverte cruciale qui supprime l'un des plus grands obstacles qui empêchent de rendre le recyclage des batteries lithium-ion économiquement viable.

Les procédés de recyclage utilisés aujourd'hui permettent de valoriser les métaux sous des formes peu valorisantes 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 provenant de 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 achète des matériaux cathodiques recyclés pour les réutiliser dans de nouvelles batteries, elle ne sacrifiera pas la pureté." — Jessica Durham, spécialiste 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 précieux matériaux qui composent la cathode, l'électrode chargée positivement d'une batterie.

Les scientifiques de l'installation de recherche en génie des matériaux d'Argonne intensifient 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 de cathode des batteries EV varient en fonction du constructeur automobile et de l'année de production, un recycleur doit prendre un mélange d'oxydes de lithium métallique - oxyde de lithium cobalt, oxyde de lithium nickel manganèse cobalt, oxyde de lithium nickel cobalt aluminium, phosphate de fer au lithium, etc. - et séparer chacun afin que ces matériaux soient réutilisés. Cette tâche autrefois impossible semble soudainement faisable.

Le recyclage direct et la réutilisation des matériaux de cathode de batterie bouclent la boucle. (Image par ReCell Center.)

Dans un nouvel article publié dans la revue scientifique à comité de lecture Energy Technology, les chercheurs de MTU et ReCell détaillent leur découverte : une méthode de séparation des matériaux cathodiques individuels en utilisant une nouvelle tournure sur 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 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 de la cathode, NMC111, via l'introduction d'un produit chimique qui fait que le matériau cible repousse l'eau.

Une fois les matériaux de cathode 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 % ou plus).

"C'est très important", déclare Jessica Durham, scientifique des matériaux à Argonne et co-auteur de l'étude, "parce que si l'industrie des batteries achète du matériau cathodique recyclé pour le réutiliser dans de nouvelles batteries, elle ne sacrifiera pas la pureté. "

La recherche est liée à la mission du ReCell Center de faire progresser les méthodes de traitement moins énergivores et de capturer des matériaux précieux pour le recyclage direct - la récupération, la régénération et la réutilisation des composants de la batterie directement sans décomposer la structure chimique. Le centre est 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 l'Institut polytechnique de Worcester.

La découverte de ReCell promet d'avoir des implications de grande envergure, telles que la réduction du coût du recyclage des batteries lithium-ion ; stimuler la croissance d'un marché de recyclage rentable pour les 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 batteries ; 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 des 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", déclare Durham. ​"Nous rassemblons les étapes en sachant qu'au final, l'ensemble du processus devra être rentable."

Parmi les autres co-auteurs de l'étude à Argonne figurent Albert Lipson, scientifique principal des matériaux et Haruka Pinegar, chercheuse postdoctorale.

Cette recherche et le Centre ReCell sont financés par le Bureau de l'efficacité énergétique et des énergies renouvelables du DOE, Bureau des technologies des véhicules.

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Images reproduites avec l'aimable autorisation du Laboratoire national d'Argonne.

Article publié avec l'aimable autorisation du Laboratoire national d'Argonne du Département américain de l'énergie (DOE).

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