Une méthode écologique pour recycler les batteries au lithium réduit les coûts

Avec la myriade d’appareils portables que les gens utilisent tous les jours, les batteries font partie intégrante de la vie de tous les jours. Cependant, se débarrasser des batteries ou recycler leurs matériaux n’est actuellement pas une proposition très respectueuse de l’environnement, un problème que les chercheurs tentent de résoudre.

Une équipe de l’Université de Californie (UC) à San Diego a trouvé une solution potentielle à ce problème avec un nouveau processus de restauration des cathodes usées à un état comme neuf. Le processus ouvre la voie au recyclage des batteries lithium-ion, ce qui éliminerait une partie des déchets excédentaires créés aujourd’hui par les batteries.

Les matériaux de batterie sont confrontés au même problème que les plastiques en termes de recyclage de ces produits une fois qu’ils ne peuvent plus être utilisés, a noté Zheng Chen, professeur de nano-ingénierie à l’UC San Diego qui a dirigé la recherche.

« C’est le même dilemme avec les plastiques : les matériaux sont bon marché, mais les méthodes pour les récupérer ne le sont pas », a-t-il déclaré dans un communiqué de presse.

L’équipe de Chen a concentré ses efforts sur les batteries à base de lithium et a découvert que le processus est particulièrement utile sur les cathodes en phosphate de fer et de lithium (LFP). Ces batteries sont généralement plus sûres à utiliser et moins chères que les autres batteries lithium-ion car elles n’utilisent pas de métaux difficiles à trouver comme le cobalt ou le nickel.

Les appareils basés sur LFP ont également une durée de vie plus longue que les conceptions lithium-ion typiques, ce qui est l’une des raisons pour lesquelles ils sont utilisés pour alimenter le véhicule électrique (EV) Tesla Model 3 et sont également largement utilisés dans les outils électriques, les bus électriques et les réseaux électriques. .

« Compte tenu de ces avantages, les batteries LFP auront un avantage concurrentiel sur les autres batteries lithium-ion du marché », a-t-il déclaré dans un communiqué de presse.

Un inconvénient majeur de l’utilisation de ces batteries est qu’elles sont très coûteuses à recycler, un problème que le processus développé par son équipe peut résoudre, a-t-il déclaré.

Coût de recyclage inférieur, impact

La méthode réduit les coûts de plusieurs manières, notamment en abaissant à la fois la température nécessaire pour recycler les matériaux ainsi que la consommation d’énergie, a déclaré Panpan Xu, chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Chen qui a également travaillé sur le projet. Le processus utilise également des produits chimiques courants non toxiques, tels que le lithium, le sel, l’azote, l’eau et l’acide citrique.

« L’ensemble du processus de régénération fonctionne dans des conditions très sûres, nous n’avons donc pas besoin de précautions de sécurité particulières ni d’équipements spéciaux », a déclaré Xu dans un communiqué de presse. « C’est pourquoi nous pouvons rendre ce coût si bas pour le recyclage des batteries. »

Pour développer le procédé, les chercheurs ont dû prendre en compte les deux principaux changements structurels subis par la cathode qui dégradent ses performances au fil du temps. Le premier est la perte d’ions lithium, qui crée des sites vides appelés lacunes dans la structure cathodique.

L’autre se produit lorsque les ions fer et lithium changent de point dans la structure cristalline, un scénario difficile à inverser, qui piège les ions lithium et les empêche de traverser la batterie.

Ce qu’ils ont développé fonctionne comme ceci : d’abord, l’équipe a éteint les batteries LFP jusqu’à ce qu’elles perdent la moitié de leur capacité de stockage d’énergie. Ensuite, les batteries ont été démontées afin que les chercheurs puissent collecter les poudres cathodiques et les tremper dans une solution composée de lithium, de sel et d’acide citrique. Les chercheurs ont ensuite lavé la solution avec de l’eau, séché les poudres et les ont chauffées pour terminer le processus de recyclage.

Les poudres restantes ont ensuite été utilisées pour développer de nouvelles cathodes, que les chercheurs ont testées à la fois dans des piles bouton et des piles. Les résultats des tests ont révélé que les cathodes fonctionnaient comme si elles étaient neuves.

Remède naturel

La raison du succès du processus réside dans un ingrédient naturel commun que l’on trouve dans les agrumes, l’acide citrique. C’est ce matériau qui permet la reconstitution des ions lithium, ce qui permet aux ions fer et lithium de revenir plus facilement à leurs positions d’origine dans le processus.

Cela se produit parce que l’acide citrique agit comme un agent réducteur – une substance qui donne un électron à une autre substance – en transférant des électrons aux ions fer pour les rendre moins chargés positivement. Cela minimise les forces qui empêchent les ions fer de revenir à leur position d’origine dans la structure cristalline et libère les ions lithium en circulation.

L’équipe a publié un article sur ses travaux dans la revue Joule. Les chercheurs prévoient de poursuivre leurs travaux pour optimiser la logistique de mise à l’échelle du processus de collecte, de transport et de traitement de grandes quantités de batteries afin qu’elles puissent être largement utilisées.

« Cela rapprochera ce processus de recyclage de l’adoption par l’industrie », a-t-il déclaré dans un communiqué de presse.