Les piles alcalines et zinc-carbone
À propos
- Anode : zinc
- Cathode : dioxyde de manganèse
- Électrolyte : hydroxyde de potassium / chlorure d'ammonium
- Type : primaire / rechargeable
- Tension nominale de la cellule : 1,5 volt
- Densité énergétique : 250 - 434 Wh/L
- Taux d'autodécharge mensuel : 0,3 %
Avantages :
- Rapport qualité-prix - les piles alcalines offrent une longue durée de conservation et une densité énergétique élevée pour leur prix
- Faible toxicité - le manganèse, l'acier et le zinc sont tous trois des matériaux relativement inoffensifs
Inconvénients :
- Performance - les piles alcalines et zinc-carbone offrent des performances inférieures à celles de nombreuses chimies de batteries plus récentes
- Résistance interne - les piles alcalines ont une résistance interne élevée
- Fuite - lorsque laissées trop longtemps dans les appareils, les piles alcalines peuvent laisser s’échapper des substances corrosives
Informations générales sur le zinc-carbone
Les piles alcalines et zinc-carbone sont suffisamment similaires pour être recyclées ensemble. La pile au zinc-carbone était la première batterie sèche disponible dans le commerce. Des expériences à la fin du 19e siècle par Georges Leclanché et Carl Gassner ont mené à l'amélioration et à l'utilisation répandue des piles zinc-carbone dans la toute première lampe de poche, ce qui a également donné naissance au fabricant de batteries Eveready.
Les piles zinc-carbone possèdent un boîtier en zinc qui sert d'anode, et une tige de carbone entourée de dioxyde de manganèse comme cathode, d'où leur nom. Il s’agit d’une conception relativement peu efficace avec une faible capacité, une durée de vie limitée et un risque considérable de fuite, mais elle est toujours produite aujourd'hui grâce à ses coûts de fabrication particulièrement bas.
Informations générales sur les piles alcalines
La pile alcaline moderne a été inventée dans les années cinquante par un ingénieur canadien qui travaillait chez Eveready. C'était une amélioration par rapport à la pile zinc-carbone : l'électrolyte à base de chlorure d'ammonium ou de chlorure de zinc a été remplacé par de l'hydroxyde de potassium alcalin, tandis que le boîtier en zinc massif a été remplacé par du zinc en poudre faisant office d'anode. Le résultat était une meilleure capacité, une durée de vie plus longue, et densité énergétique plus élevée.
Depuis leur commercialisation, les piles alcalines sont devenues extrêmement populaires. Aujourd'hui, elles représentent environ 80% de toutes les piles produites aux États-Unis, tandis qu'au sein de l'UE, elles constituent 47% des ventes annuelles de piles. En 1992, les piles alcalines rechargeables ont été introduites sur le marché, mais elles sont beaucoup moins efficaces que d'autres types rechargeables et peuvent être rechargées, dans le meilleur des cas, seulement quelques fois.
Applications les plus courantes
Les piles alcalines et zinc-carbone sont principalement utilisées pour de petits appareils ménagers. Pensez aux télécommandes, jouets, horloges, ...
Pourquoi recycler les piles zinc-carbone ?
Bien que les piles alcalines modernes et zinc-carbone modernes contiennent relativement peu de substances toxiques et volatiles, elles restent les piles les plus utilisées aujourd'hui. Leur recyclage a donc un impact significatif. Cela aide également à réduire les matières premières extraites du sol pour la production de nouvelles piles alcalines et zinc-carbone.
Les anciennes piles alcalines et zinc-carbone peuvent également contenir de petites quantités de mercure, une substance très toxique. De plus, les piles zinc-carbone sans boîtier en plastique sont susceptibles de fuir et peuvent provoquer des courts-circuits.
Points forts du processus
Général
Les piles alcalines et zinc-carbone suivent un processus de recyclage relativement standard. Elles nécessitent peu de traitement spécialisé, car elles contiennent des matériaux simples et ne présentent pas de grands risques pour la santé ou l'environnement. Pourtant, différentes méthodes sont utilisées à travers le monde, et des recherches sont menées quotidiennement pour découvrir de nouvelles approches.
Comminution
Dans la plupart des cas, les piles sont d'abord broyées dans un broyeur à grappin ou un broyeur à couteaux pour les réduire en particules de 1 à 3 millimètres de diamètre. Certaines entreprises de recyclage sautent toutefois l'étape de broyage et traitent les piles entières dans des hauts-fourneaux, principalement pour récupérer le zinc et le manganèse.
Selon la méthode de réduction utilisée (comminution), les étapes de séparation suivantes peuvent varier, bien que ce soit parfois plus en termes d'efficacité que de méthode. Une réduction plus efficace assure des flux de sortie plus purs.
Séparation physique
La séparation magnétique est utilisée pour récupérer les boîtiers en acier des piles alcalines.
La séparation par milieu dense (Dense Medium Separation, DMS) est employée pour séparer les plastiques et le papier des matériaux de masse noire plus lourds. Ensuite, la DMS est à nouveau utilisée pour séparer les plastiques légers des plastiques lourds.
Le tamisage est également une option couramment uilisée pour ce type de pile, bien qu'il nécessite une comminution intensive pour réduire suffisamment la taille des matériaux. À ce stade, la masse noire peut être récupérée comme la fraction la plus fine du mélange – environ 0,5 à 0,75 millimètre.
Traitement pyrométallurgique
Dès que le plastique, le papier et les boîtiers en acier sont triés dans leurs flux respectifs, ils sont prêts à être envoyés vers des aciéries ou d’autres installations afin d’être raffinés, transformés ou utilisés comme combustible.
La plupart des installations de recyclage optent ensuite pour une approche pyrométallurgique pour traiter le flux résiduel (la masse noire). Dans le cas des piles alcalines et zinc-carbone, la masse noire est principalement composée de zinc, de dioxyde de manganèse et de potassium, mais contient souvent aussi des traces d'autres métaux tels que le fer, l'acier et le mercure, ainsi que du carbone. Ces éléments se trouvent généralement sous forme de composés de minerai ou de sulfure. Les liaisons chimiques doivent donc être rompues pour séparer les métaux du matériel organique, qui prend ensuite généralement la forme de scories. Pour ce processus, un four rotatif Waelz est souvent utilisé.
- La séparation du mercure des ions chlorure se fait à 450 °C à l'aide d'un vide.
- L’oxyde de zinc est réduit en zinc à des températures supérieures à 920 °C. Les zinc est récupéré sous forme de vapeur pour être ensuite distillé.
- Le manganèse reste à l'état solide pendant le processus de pyrolyse, mais est réduit en oxyde de manganèse par le carbone présent dans le mélange.
- Les matériaux restants après ces processus pyrométallurgiques sont l'oxyde de manganèse et le fer.
- Le fer est séparé pour un traitement ultérieur, tandis que les oxydes de potassium et de manganèse restants finissent sous forme de scorie.
Méthodes hydrométallurgiques alternatives
En alternative, des méthodes hydrométallurgiques sont également étudiées, pour l'instant principalement à l'échelle du laboratoire. Ce processus se déroule approximativement comme suit :
Après un traitement mécanique pour récupérer un flux de métaux (via la séparation magnétique et la séparation en fonction des différences de densité), la poudre noire restante contient du carbone, du manganèse et du zinc.
Cette poudre soumise à une lixiviation afin d’obtenir une solution riche en manganèse et en zinc.
Cette solution est ensuite purifiée, ce qui permet d’obtenir des sels de manganèse et de zinc.
Produits finis
La plupart des méthodes de recyclage pour les piles alcalines et zinc-carbone permettent d’obtenir les matériaux suivantes :
- Plastiques
- Papier
- Acier
- Zinc
- Scories riches en manganèse
Tendances futures
À mesure que les matières premières deviennent plus rares et que l’utilisation responsable des ressources de notre planète devient une priorité accrue, il est tout à fait possible que les piles zinc-carbone soient progressivement retirées du marché. Les piles alcalines pourraient ensuite connaître la même évolution, lorsque de nouvelles chimies de batteries plus efficaces feront leur apparition.
Néanmoins, en raison du nombre énorme de piles alcalines et zinc-carbone actuellement utilisées, de nouvelles méthodes de recyclage font continuellement l’objet de recherches afin d'améliorer le processus.
