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Les batteries lithium-ion usagées provenant des téléphones portables, des ordinateurs portables et d'un nombre croissant de véhicules électriques s'accumulent, mais les options de recyclage se limitent encore largement à l'incinération ou à la dissolution chimique des batteries défectueuses. Les méthodes actuelles peuvent engendrer des problèmes environnementaux et sont difficiles à produire économiquement à l'échelle industrielle.
Les procédés traditionnels recyclent certains matériaux de batterie et utilisent des alcalis caustiques, des acides inorganiques et des produits chimiques dangereux susceptibles d'introduire des impuretés. L'extraction des métaux critiques nécessite également une séparation et une précipitation complexes. Cependant, le recyclage de métaux tels que le cobalt et le lithium peut réduire la pollution, la dépendance aux sources étrangères et l'engorgement des chaînes d'approvisionnement.
Des chercheurs du Laboratoire national d'Oak Ridge du Département de l'Énergie des États-Unis ont perfectionné une méthode de dissolution des batteries dans une solution liquide afin de réduire la quantité de produits chimiques dangereux utilisés. Leurs recherches ont été publiées dans la revue Energy Storage Materials.
La solution simple, efficace et respectueuse de l’environnement développée par les chercheurs de l’ORNL surmonte les obstacles majeurs rencontrés avec les méthodes précédentes.
Les piles usagées sont trempées dans une solution d'acide citrique organique (naturellement présent dans les agrumes) dissous dans de l'éthylène glycol, un antigel couramment utilisé dans les produits de consommation tels que les peintures et les cosmétiques. L'acide citrique provient de sources durables et est plus sûr à manipuler que les acides inorganiques. Cette solution écologique offre un processus extrêmement efficace pour séparer et recycler les métaux dans l'électrode chargée positivement de la batterie, appelée cathode.
« Comme la cathode contient des matériaux critiques, elle est la pièce la plus coûteuse d'une batterie, représentant plus de 30 % de son coût », a déclaré Yaokai Bai, membre du groupe de recherche sur les batteries de l'ORNL. « Notre approche pourrait réduire le coût des batteries à long terme. » L'étude a été menée dans l'usine de fabrication de batteries du Laboratoire national d'Oak Ridge, le plus grand centre de recherche et développement en plein air sur les batteries aux États-Unis.
La technologie de traitement développée ici permet de lixivier près de 100 % du cobalt et du lithium de la cathode sans introduire d'impuretés dans le système. Elle est également capable de séparer efficacement les solutions métalliques des autres résidus. Mieux encore, sa fonction secondaire est de récupérer plus de 96 % du cobalt en quelques heures sans ajout de produits chimiques supplémentaires, un processus manuel souvent complexe pour équilibrer les niveaux d'acidité.
« C'est la première fois qu'un système de solution unique couvre les fonctions de lixiviation et de traitement », a déclaré Lu Yu, chercheur principal. « Il était intéressant de constater que le cobalt précipitait et se déposait sans autre perturbation. Nous ne nous attendions pas à cela. »
L'élimination du recours à des produits chimiques supplémentaires réduit les coûts et évite la génération de sous-produits ou de déchets secondaires. « Nous sommes ravis que ce procédé de recyclage développé par nos scientifiques puisse ouvrir la voie à un recyclage plus large des matériaux critiques des batteries », a déclaré Ilyas Belharouaq, chercheur et directeur de la division Électrification du Laboratoire national d'Oak Ridge.
Bai a déclaré que les propriétés de lixiviation de l'acide citrique et de l'éthylène glycol avaient déjà été étudiées, mais que cette méthode utilisait plus d'acide et des températures plus basses et était moins efficace.
« Nous avons été surpris de la rapidité avec laquelle la réaction est sortie de la solution », a déclaré Bai. « Avec les acides organiques, cela prend généralement 10 à 12 heures, mais celle-ci n'a pris qu'une heure. » Les solutions traditionnelles à base d'acides inorganiques sont également plus lentes car elles contiennent de l'eau, dont le point d'ébullition limite la température de réaction.
Informations complémentaires : Lu Yu et al., Séparation et coprécipitation efficaces pour un recyclage simplifié des cathodes, Energy Storage Materials (2023). DOI : 10.1016/j.ensm.2023.103025
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