Les piles au lithium recyclées pourraient être plus performantes que les piles neuves

Une nouvelle méthode de recyclage des piles au lithium permettrait de répondre à la demande sans cesse croissante.

Les batteries lithium-ion sont à la base de la quasi-totalité des véhicules électriques, des ordinateurs portables et des smartphones, et sont essentielles pour stocker les énergies renouvelables face à l'urgence climatique. Cependant, toutes les exploitations minières actuelles dans le monde sont incapables d'extraire suffisamment de lithium et d'autres minéraux essentiels pour répondre à la demande croissante de ces batteries. La création de nouvelles mines est un effort coûteux qui prend des années. En outre, l'exploitation minière crée un certain nombre de problèmes environnementaux - tels que l'épuisement des ressources en eau locales et la pollution de la région environnante par les débris de ruissellement - qui ont conduit à des protestations contre les nouvelles mines.

Cela signifie que la capacité de recycler les batteries existantes est cruciale pour des changements durables dans le système énergétique mondial. Mais le recyclage des batteries lithium-ion n'est apparu que récemment sur le marché. Les fabricants de batteries ont hésité par crainte que les produits recyclés ne soient de moins bonne qualité que ceux fabriqués à partir de minéraux nouvellement extraits, ce qui pourrait réduire la durée de vie de la batterie ou endommager ses parties internes. Les conséquences pourraient être graves, en particulier dans une application telle que les véhicules électriques.

Méthodes de recyclage du lithium contenu dans les piles usagées

Mais de nouvelles recherches publiées dans Joule ont mis au point ce que les experts décrivent comme une méthode de recyclage plus élégante qui remet à neuf la cathode, le cristal soigneusement usiné qui est le composant le plus coûteux de la batterie lithium-ion et la clé qui permet de fournir la tension correcte. Les chercheurs ont constaté que les batteries fabriquées à l'aide de la nouvelle technique de recyclage de la cathode fonctionnent aussi bien que celles dont la cathode est fabriquée à partir de zéro. En fait, les batteries dotées d'une cathode recyclée durent plus longtemps et se chargent plus rapidement. L'approche de l'équipe et la démonstration de son succès sont "vraiment uniques et impressionnantes", déclare Kang Xu, électrochimiste au Laboratoire de recherche de l'armée américaine, qui n'a pas participé à l'étude.

Yan Wang, professeur de science des matériaux au Worcester Polytechnic Institute et coauteur de la nouvelle étude, a commencé à faire des recherches sur le recyclage des piles il y a 11 ans. À l'époque, raconte-t-il, "certaines personnes m'ont dit en plaisantant : "Il n'y a pas assez de piles à recycler"". Cette plaisanterie ne vieillit pas bien. Le ministère de l'énergie estime que le marché des piles pourrait être multiplié par dix au cours de la prochaine décennie. Pour atténuer les difficultés de croissance du marché, "le recyclage des batteries lithium-ion, c'est-à-dire la réintégration du matériau dans la chaîne d'approvisionnement, est essentiel", déclare Dave Howell, directeur du Bureau des technologies des véhicules du ministère de l'énergie. Le ministère de l'énergie a financé cette nouvelle recherche dans le cadre de ses efforts massifs visant à stimuler les innovations à grande échelle dans le domaine du recyclage des batteries aux États-Unis.

Fonctionnement de la pile au lithium

Lorsqu'une batterie lithium-ion fournit de l'énergie, un groupe lithium-ion se déplace d'une "cage" cristalline (l'anode) à une autre (la cathode). Les méthodes les plus courantes actuellement utilisées pour recycler ces batteries consistent à démonter et à écraser l'ensemble de la batterie, puis à la faire fondre ou à la dissoudre dans de l'acide. Il en résulte une masse noire - dont la consistance peut varier de la poussière à la bouillie - dont on peut récupérer des éléments chimiques ou des composés simples. Ces produits récupérés peuvent ensuite être soumis au même processus de production commerciale que celui appliqué aux éléments nouvellement extraits pour obtenir des cathodes.

Wang et ses collègues utilisent un processus très similaire, mais au lieu de décomposer complètement la batterie en ses éléments chimiques constitutifs, leur technique conserve intacte une partie de la composition cruciale de l'ancienne cathode. Après avoir décomposé la batterie, ils enlèvent physiquement les parties les moins coûteuses (comme les circuits électroniques et le boîtier en acier de la batterie) et les recyclent séparément. Il reste principalement le matériau de la cathode, qui est dissous dans l'acide et débarrassé de ses impuretés. Ensuite, ils ajoutent soigneusement une pincée d'éléments cathodiques frais, tels que le nickel et le cobalt, afin de s'assurer que le rapport entre les ingrédients est correct - ce qui constitue une autre différence par rapport aux méthodes de recyclage courantes. Après quelques étapes supplémentaires, on obtient une poudre de cathode effectivement rafraîchie, composée de minuscules particules cristallines qui peuvent être collées sur une bande de métal et insérées dans une "nouvelle" batterie.

La cathode étant constituée d'un mélange précis de minéraux précieux pour obtenir la tension spécifique de la batterie, de légères modifications de sa structure ou de sa composition peuvent compromettre ses performances. Par conséquent, une grande partie de la valeur de la poudre de cathode réside "dans la manière dont les particules [de poudre] ont été conçues au départ", explique Emma Kendrick, professeur de matériaux énergétiques à l'université britannique de Birmingham, qui n'a pas participé à la nouvelle étude. Cette valeur est perdue si la batterie entière est simplement fondue ou dissoute en une seule fois, comme c'est le cas avec les méthodes de recyclage actuelles.

Les recherches de Wang pour recycler le lithium

Wang et ses collègues ont comparé les particules de leur poudre de cathode recyclée à celles de la poudre de cathode produite commercialement (principalement à partir de minerais nouvellement extraits). Ils ont constaté que les particules de la poudre recyclée étaient plus poreuses, avec des vides particulièrement importants au centre de chacune d'entre elles. Ces caractéristiques permettent au cristal de la cathode de gonfler légèrement lorsque les ions lithium s'y infiltrent, et cette marge de manœuvre empêche le cristal de se fissurer aussi facilement que les cathodes fabriquées à partir de zéro. Ces fissures sont l'une des principales causes de la dégradation des piles au fil du temps.

Plus de pores signifie également plus de surface exposée, où les réactions chimiques nécessaires pour charger la batterie peuvent avoir lieu - c'est pourquoi les batteries recyclées de Wang se chargent plus rapidement que leurs homologues produites dans le commerce. À l'avenir, l'ambition pourrait être de concevoir toutes les cathodes avec cette structure supérieure, et pas seulement celles fabriquées à partir de matériaux recyclés, explique M. Wang.

Les dernières découvertes montrent que "la cathode qu'ils peuvent produire est aussi bonne, voire meilleure, que le matériau commercial que nous avons importé", déclare Linda Gaines, analyste des transports à l'Argonne National Laboratory et scientifique en chef au ReCell Center, une organisation qui étudie et promeut le recyclage des batteries. (Ces importations proviennent en grande partie de Chine, qui est le leader mondial du recyclage des batteries. Mais cela signifie que les matériaux doivent être déplacés d'une partie du monde à l'autre pour être recyclés, ce qui augmente l'empreinte carbone des batteries recyclées et diminue leur attrait en tant que solution plus durable. L'approche mise au point par l'équipe de Wang élimine une grande partie du commerce international et des exigences en matière de transport, créant ainsi une voie potentielle pour que d'autres pays renforcent le recyclage des piles au niveau national. Le processus est actuellement développé par Ascend Elements, anciennement Battery Resourcers, une entreprise de recyclage cofondée par M. Wang.