Un Cadeau

Les batteries lithium-ion sont au cœur de presque toutes les voitures électriques, des ordinateurs portables et des téléphones intelligents, et elles sont essentielles pour maintenir les énergies alternatives face à l’urgence climatique. Mais toutes les procédures d’exploration actuelles dans le monde ne permettent pas d’extraire suffisamment de lithium ainsi que d’autres éléments nutritifs importants pour satisfaire la demande de ces batteries qui monte en flèche. L’établissement de nouvelles mines est un effort coûteux qui s’étale sur plusieurs années. De plus, l’exploration produit un certain nombre de maux de tête écologiques – tels que l’épuisement des ressources en eau locales et la pollution de la région voisine par les particules de ruissellement – qui ont entraîné des protestations contre les nouvelles mines.

Tout cela signifie que la capacité de recycler les batteries actuelles est essentielle pour changer durablement le système énergétique mondial. Mais la tentative de recycler les blocs de batteries lithium-ion n’a fait l’objet d’une percée commerciale que récemment. Les fabricants de batteries ont hésité, car ils craignaient que les éléments réutilisés soient de moins bonne qualité que ceux fabriqués à partir de minéraux récemment extraits, ce qui pourrait réduire la durée de vie des batteries ou endommager leurs composants. Les effets pourraient être graves, surtout dans un logiciel comme un véhicule électrique.

Mais de nouvelles recherches publiées dans la revue Joule ont mis au point une technique de recyclage plus élégante qui permet de remettre à neuf la cathode, un cristal soigneusement fabriqué qui est le composant le plus coûteux de la batterie lithium-ion et qui permet de fournir la tension appropriée. Les chercheurs ont constaté que les batteries qu’ils ont fabriquées à partir de leur nouvelle méthode de recyclage de la cathode fonctionnent aussi bien que celles dont la cathode a été fabriquée à partir de zéro. En fait, Easee les batteries équipées de la cathode recyclée durent plus longtemps et s’épuisent plus vite. L’approche de l’équipe et la démonstration réussie sont « très distinctives et très remarquables », déclare Kang Xu, un électrochimiste du laboratoire d’étude de l’armée américaine, qui n’a pas participé activement à la recherche.

Yan Wang, professeur de science des matériaux à l’institut polytechnique de Worcester et co-auteur de la nouvelle étude, a commencé à explorer les batteries en essayant de les recycler il y a 11 ans. À l’époque, dit-il, « certaines personnes plaisantaient avec moi en disant : « Il n’y a pas assez de piles pour que vous puissiez les recycler ». Cette plaisanterie ne vieillit pas bien. Le ministère de l’énergie estime que le marché des batteries pourrait être multiplié par 10 au cours de la prochaine décennie. Pour soulager les douleurs liées à l’expansion du marché, « le recyclage des batteries au lithium-ion, c’est-à-dire l’intégration de ce matériau dans la chaîne d’approvisionnement, est essentiel », déclare Dave Howell, directeur du Vehicle Technologies Workplace du DOE. Le DOE a financé la toute nouvelle étude dans le cadre de son effort massif pour stimuler les innovations en matière de recyclage des batteries à grande échelle aux États-Unis.

Chaque fois qu’une batterie lithium-ion offre de l’énergie, un groupe d’ions lithium se déplace d’une « cage » cristalline (l’anode) à une autre (la cathode). Les techniques les plus courantes actuellement utilisées pour réutiliser ces batteries consistent à démonter et à déchiqueter l’ensemble de la batterie, puis à la faire fondre ou à la dissoudre dans de l’acide. Le résultat est une masse sombre – dont la texture peut varier de la poudre naturelle à la bouillie – d’où l’on peut récupérer des composants chimiques ou des substances faciles. Ces produits récupérés peuvent ensuite passer par le même processus de production industrielle que les composants nouvellement extraits afin de fabriquer des cathodes.

Coupes de contaminants de cathodes réutilisées (A) et de contaminants produits à partir de nouveaux matériaux (B), prises à l’aide d’un microscope électronique. La barre de niveau est de 10 micromètres en (A) et de 5 micromètres en (B). Crédit : « Recycled cathode materials enabled exceptional performance for lithium-ion battery packs », par Xiaotu Ma, et al, dans Joule, Vol. 5, No. 11 ; Nov. 17, 2021 DOI:https://doi.org/10.1016/j.joule.2021.09.005

Wang et ses formidables collègues utilisent un processus très similaire, mais au lieu de réduire complètement la batterie à ses éléments chimiques constitutifs, leur technique conserve intacte une partie de la composition essentielle de l’ancienne cathode. Après avoir déchiqueté la batterie, ils enlèvent physiquement les pièces les plus abordables (comme les circuits électroniques et le revêtement métallique de la batterie) et les recyclent séparément. Ce qui reste exactement est principalement le matériau de la cathode ; ils le dissolvent dans de l’acide et en retirent ensuite les impuretés. Ensuite, ils ajoutent très soigneusement une touche d’éléments rafraîchissants qui composent la cathode, comme le nickel et le cobalt, pour garantir que la proportion des ingrédients est juste – une autre variation par rapport aux méthodes courantes de recyclage. Après quelques actions supplémentaires, le résultat final est définitivement une poudre naturelle de cathode efficacement renouvelée, composée de minuscules contaminants cristallins qui peuvent être collés sur une bande métallique et placés dans une « nouvelle » batterie.

Étant donné qu’une cathode est fabriquée à partir d’un mélange exact de minéraux précieux pour obtenir la tension particulière de la batterie, des modifications mineures du cadre ou de la structure peuvent nuire à ses performances. Ainsi, une grande partie de la valeur de la poudre de cathode réside « dans la façon dont vous avez conçu les particules [de poudre naturelle] au départ », explique Emma Kendrick, professeur de matériaux énergétiques à l’université de Birmingham, en Angleterre, qui n’a pas participé à la nouvelle étude. Cette valeur est perdue si la batterie entière est simplement dissoute plus bas ou dissoute en une seule fois, comme dans les techniques de recyclage actuelles.