Les nouvelles avancées en matières de recyclage des batteries au lithium-ion

Les nouvelles avancées en matières de recyclage des batteries au lithium-ion

La demande mondiale de batteries au lithium-ion connaît une croissance exponentielle et on prévoit des points d'inflexion majeurs, car la demande pourrait même dépasser l'offre de matières premières et de composants essentiels pour les batteries.

Le marché mondial des voitures électriques alimentées par des batteries au lithium-ion devrait connaître une forte croissance et atteindre 858 milliards de dollars d'ici à 2027. On estime pourtant que seules 5 % des batteries au lithium-ion sont recyclées dans le monde. Historiquement, le recyclage des batteries au lithium-ion a été limité par la volatilité du prix des matières premières, le manque d'usines de recyclage et l'absence de réglementations. Toutefois, les progrès réalisés dans les méthodes de recyclage, le fort potentiel de croissance et les réserves limitées de métaux rares rendent le recyclage plus attrayant, puisque selon les projections, la part de marché de ce secteur pourrait atteindre 13 milliards de dollars d'ici à 2030.

Techniques de recyclage actuelles

Il existe aujourd'hui trois méthodologies principales de recyclage des batteries (figure 1), les formes principales de recyclage combinant l'hydrométallurgie et la pyrométallurgie. Les publications de recherches et de brevets liés à l'hydrométallurgie et à la pyrométallurgie ont connu une croissance exponentielle en raison de leurs coûts et de leur complexité moindres (figure 2). L'hydrométallurgie utilise des solutions (principalement aqueuses) pour extraire et séparer les métaux des ressources des batteries. La pyrométallurgie exploite la chaleur pour convertir les oxydes métalliques utilisés dans les matériaux des batteries en métaux ou en composés métalliques. Le recyclage direct consiste à retirer le matériau cathodique en vue d'une réutilisation ou d'un reconditionnement.

Pourquoi le recyclage direct est la meilleure méthode

L'élimination directe du matériau de cathode à des fins de réutilisation et de reconditionnement est idéale, car elle permet aux recycleurs de conserver les structures de cristaux intactes moyennant des coûts moindres en énergie, en réactifs et en installations fixes. Toutefois, les coûts de main d'œuvre et des seuils plus exigeants sont requis pour assurer de bonnes conditions de recyclage des batteries. Jusqu'à une époque récente, les principaux défis qui limitaient le domaine du recyclage du lithium-ion étaient le manque d'uniformité dans la conception des batteries et les efforts importants requis en hydro et en pyrométallurgie pour convertir les batteries en matières premières métalliques. Un article récent présente une méthode qui fournit des matériaux de cathode exploitables que les méthodes de recyclage actuelles ne permettent pas d'obtenir.

Une nouvelle approche du recyclage direct

Récemment, Zheng Liang, Guangmin Zhou, Hui-Ming Cheng et leurs collègues ont divulgué une technique de cette nature dans le Journal of the American Chemical Society. L'iodure de lithium (Lil) et l'hydroxyde de lithium (LiOH) ont été combinés dans une solution eutectique qui provoque la fusion à une température inférieure à celle d'un de ces deux sels seul - moins de 200 °C. En conséquence, cette combinaison devient liquide à des températures plus accessibles.

Alors que les méthodes antérieures ne permettaient pas de retrouver la capacité initiale des batteries fabriquées à partir de matériaux réparés, le chauffage consécutif par un mélange eutectique à 200 °C pendant 3 heures suivi d'un chauffage à 850 °C pendant deux heures le permet. Toutefois, lorsqu'on a ajouté du Co₂O₃ et du MnO₂ au mélange eutectique, le procédé en deux étapes a produit du NMC523 restauré, dont les caractéristiques et la structure cristalline étaient comparables à celles des matériaux neufs.

Cette approche offre un moyen de rétablir les pleines fonctionnalités des cathodes de batteries au lithium-ion tout en utilisant moins d'énergie et de ressources que la production de batteries neuves. Si les matériaux des batteries épuisées peuvent être ramenés à leur pleine fonctionnalité à moindre coût, ils pourraient être revendus avec une marge nettement supérieure à celle des métaux ou des oxydes métalliques fabriqués en utilisant des techniques plus coûteuses.

Difficultés

L'approche développée par Liang et al. n'est toutefois pas sans difficulté. Le procédé nécessite un démontage, puis un remontage des batteries. La complexité et le manque d'uniformité de la conception des batteries et des compositions cathodiques constituent des obstacles au recyclage des batteries en général. Même si de nombreux types de batterie différents peuvent être traités par pyrométallurgie, le recyclage direct et les procédures hydrométallurgiques nécessitent le tri des différents types de batterie et le démontage sécurisé des batteries. La composition et la conception des batteries doivent être spécifiés et encodés sur les batteries pour permettre le recyclage direct. Le démontage serait plus simple avec les conceptions de batterie courantes, mais compte tenu de la gamme d'applications des batteries au lithium-ion, il pourrait être impossible.

Perspectives d'avenir

Un point d'inflexion critique se profile à l'horizon pour les batteries au lithium-ion, car la demande risque de dépasser l'offre de métaux essentiels, de sorte que le recyclage doit jouer un rôle majeur pour combler cette lacune. La conservation des ressources, l'impact sur l'environnement et la rentabilité seront des facteurs clés de l'accélération de l'innovation à l'avenir.

Même si cette étude récente n'offre pas une approche commercialement prête pour la régénération des batteries au lithium-ion et leur recyclage direct, elle prouve que cette pratique est techniquement viable. Cette approche se démarque des méthodes de recyclage direct antérieures en utilisant des systèmes eutectiques de préférence aux techniques hydrothermiques. Une technique de recyclage direct commercialement viable renforcera la sécurité des fournitures de composants de batteries au lithium-ion, contribuera à leur durabilité en tant qu'alternative aux carburants liquides pour le stockage de l'énergie et constituera un instrument crucial pour réduire les émissions de CO₂, infléchissant ainsi le changement climatique. Pour en savoir plus sur les tendances émergentes en matière de recyclage des batteries au lithium-ion, lisez notre récent rapport.