Lithium rechargeable

À propos de

Anode : graphite, divers
Cathode : oxyde de lithium-cobalt, phosphate de fer-lithium, oxyde de lithium-manganèse, divers
Électrolyte : divers
Type : rechargeable
Tension nominale de la cellule : 2,0 - 3,85 volts
Densité énergétique : 250 - 700 W·h/L
Taux de décharge mensuelle : 0,35 - 2,5%

Avantages :

Performances - l'une des chimies de pile et batterie les plus performantes disponibles
Durabilité - parmi les meilleures disponibles
Rapide à charger - les piles et batteries lithium-ion répondent très rapidement aux besoins de charge et de décharge
Format - petite mais puissante grâce à une excellente densité d'énergie
Polyvalente - adaptable à presque toutes les exigences de tension, de puissance et d'énergie

Inconvénients :

Risque d'incendie - les piles et batteries lithium-ion rechargeables sont inflammables
Toxicité - de nombreuses piles et batteries lithium-ion rechargeables contiennent des matériaux d'électrolyte toxiques

Informations générales sur le lithium-ion

Les piles et batteries rechargeables au lithium-ion sont de plus en plus populaires et sont utilisées dans les téléphones mobiles, les cigarettes électroniques, les ordinateurs, les véhicules électriques et bien plus encore (y compris des applications militaires et spatiales). Elles ont été commercialisées pour la première fois en 1991 par Sony, après des décennies de recherche et d'expérimentations. Encore quelques décennies de recherche supplémentaires ont permis à cette chimie de batterie de surpasser toutes les autres en termes de performances et de durée de vie, tandis que le prix a considérablement diminué.

Les piles et batteries au lithium-ion doivent leur nom à l'utilisation spécifique des ions lithium dans la cellule. Ces ions peuvent voyager à travers l'électrolyte et d'autres membranes internes de la cellule, qui bloquent autrement le flux d'électrons. Lorsqu'une pile ou batterie au lithium-ion est utilisée, les électrons circulent de l'anode, via le circuit de l'appareil, vers la cathode, comme avec n'importe quelle pile ou batterie ordinaire. En même temps, les ions lithium voyagent de l'anode directement à travers l'électrolyte vers la cathode, maintenant ainsi la neutralité électronique dans la cellule. Lorsque la pile ou batterie est chargée, ce flux est inversé et l'anode est rechargée avec des ions lithium.

Tout comme avec le lithium primaire, il existe de nombreuses variantes chimiques au sein de la famille lithium-ion. Le format le plus courant pour l'électronique portable de haute qualité est le polymère lithium, avec un électrolyte gel polymère et une cathode en oxyde de lithium-cobalt (LiCoO2).

Structure cellulaire

Les éléments internes des piles et batteries peuvent être arrangés de différentes manières afin d'optimiser leur utilisation. C'est une des raisons pour lesquelles il existe aujourd'hui tant de piles et batteries de formes différentes en circulation. Généralement, la cathode, l'anode et les séparateurs sont soit enroulés les uns autour des autres (dans les piles et batteries cylindriques), pliés en formes géométriques (dans les piles et batteries prismatiques) ou empilés les uns sur les autres (dans les batteries pouch). La géométrie prismatique a été développée dans les années '90 en réponse à la demande des consommateurs pour des technologies plus fines, plus petites et plus puissantes. Chaque option a ses avantages et inconvénients, principalement un compromis entre performance et risque d'incendie.

Applications les plus courantes

Les piles et batteries rechargeables au lithium-ion se trouvent principalement dans les appareils mobiles tels que les téléphones, les tablettes et les ordinateurs portables, ainsi que dans les véhicules électriques.

Batteries au lithium pour véhicules électriques (VE)

Les batteries pour véhicules électriques (VE) utilisent différents matériaux, en fonction de l'équilibre recherché entre les performances du moteur et le coût. La technologie évolue également très rapidement, rendant les technologies de cellules obsolètes en peu de temps. Ainsi, les anciens modèles Tesla Model 3 et Model X roulaient avec des batteries au lithium-nickel-cobalt-aluminium oxyde (LiNi0,84Co0,12Al0,04O2), tandis que les Tesla plus récentes à autonomie standard utilisent des batteries LFP. L'oxyde de lithium-nickel-manganèse-cobalt, également connu sous le nom de NMC ou Li(NixMnyCo1−x−y)O2, a également été utilisé par divers constructeurs comme Nissan, Chevy et BMW.

Pourquoi recycler les piles et batteries au lithium rechargeables ?

Il y a trois raisons principales de recycler les piles et batteries lithium-ion rechargeables. Premièrement, la sécurité : ces piles et batteries peuvent provoquer des incendies en raison de la dérégulation thermique, un processus auto-entretenu où une montée de température modifie les conditions dans la cellule, conduisant à une augmentation de température supplémentaire, et ainsi de suite. Les piles et batteries endommagées peuvent s'enflammer spontanément, et le monde a déjà trop souvent dû faire face à des téléphones et des cigarettes électroniques explosant, causant des incendies et des blessures.

Deuxièmement et troisièmement : l'utilisation responsable des ressources et l'énorme augmentation imminente du nombre de piles et batteries lithium-ion rechargeables, qui entraînera bientôt à la fois un défi de gestion des déchets et des opportunités économiques. Alors que la production de piles et batteries lithium-ion rechargeables devrait doubler au cours des cinq prochaines années, leur recyclage est plus important que jamais. Le lithium-ion est également la batterie de choix pour les véhicules électriques, un marché également en pleine croissance rapide.

Cette forte augmentation dans un avenir proche mettra sous pression les réserves mondiales de lithium. L'extraction du lithium est moins nocive que de nombreuses autres pratiques minières, mais elle porte toujours atteinte à notre planète. Plus nous pouvons fermer le cycle du lithium-ion, mieux c'est. Les piles et batteries au lithium peuvent également contenir d'autres métaux précieux tels que le nickel, le cobalt et le manganèse, qui autrement seraient extraits de la terre dans des conditions négligentes, exploiteuses et inhumaines.

Une construction coûteuse

À l'origine, au moins un tiers du coût de production d'une pile ou batterie lithium-ion rechargeable provient des matériaux, car ces cellules contiennent de grandes quantités de métaux précieux sous différentes formes. Cependant, les fabricants de piles et batteries développent de plus en plus des chimies contenant moins ou pas de métaux précieux afin de réduire les coûts. Par exemple, les batteries LFP n'ont plus besoin de cobalt ni de nickel, et les batteries sodium-ion émergentes utilisent le sodium à la place du lithium. Bien que ces innovations rendent les piles et batteries moins chères et plus durables, elles introduisent également de nouveaux défis en matière de recyclage, car il y a moins de matériaux précieux à récupérer.

Le danger des batteries de véhicules électriques (VE)

Un point d'attention particulier concerne la manière dont les batteries au lithium-ion rechargeables provenant de véhicules impliqués dans des accidents peuvent être recyclées. Les corps de pompiers développent des protocoles pour la gestion des packs de batteries lithium-ion endommagés provenant de véhicules électriques, ainsi que pour leur transport sécurisé et leur traitement afin de les acheminer vers des installations de recyclage.

Points forts du processus

Actuellement, les piles et batteries au lithium-ion rechargeables pour les appareils portables ainsi que pour les véhicules électriques sont souvent traitées dans la même installation, selon presque le même processus. La principale différence réside dans le démantèlement des batteries de véhicules électriques (VE) par opposition au broyage de piles et batteries plus petites. Les processus sont également ajustés finement en fonction de la chimie spécifique et des quantités des différents types de piles et batteries lithium-ion.

Décharger

La première étape dans le processus de recyclage est la sécurité, car les piles et batteries au lithium-ion rechargeables doivent être manipulées avec soin pour éviter un dérèglement thermique. Traditionnellement, les piles et batteries sont complètement déchargées avant le broyage, ce qui peut être réalisé avec une résistance ou en immergeant les cellules dans de l'azote liquide ou une solution saline pour provoquer un court-circuit et une décharge rapide. Cependant, le déchargement est laborieux et coûteux, ce qui pousse certains entreprises de recyclage à utiliser des méthodes alternatives. Dans ces cas, les matériaux organiques dans la pile ou batterie sont d'abord thermiquement éliminés avant le broyage, ou les piles et batteries sont broyées directement sous l'eau pour éviter la présence d'oxygène.

Démontage et broyage

Le démontage est une étape clé suivante pour les cellules lithium-ion rechargeables spécifiquement conçues, comme celles utilisées dans les véhicules électriques. Le démontage manuel permet une séparation propre de certains composants, améliorant ainsi la pureté des flux de sortie, mais il est également très exigeant en travail.

En alternative, la réduction en taille (broyage) est la méthode habituelle pour les petites cellules. Cette opération est souvent réalisée dans un broyeur rotatif dans une atmosphère de dioxyde de carbone et d'argon pour transformer tout lithium élémentaire libéré en carbonate de lithium, une forme de composé moins volatile.

Séparation physique

Ensuite, un processus de séparation physique relativement standard est mis en œuvre, visant à récupérer les flux sortants pour :

Les plastiques et le papier
La masse noire (contenant du lithium, du nickel, du cobalt, du manganèse et des électrolytes)
Les boîtiers de piles et batteries en acier et les fixations
Les alliages métalliques tels que l'aluminium et le cuivre utilisés dans les feuilles d'électrodes

Processus pyrométallurgiques et hydrométallurgiques

Ensuite, une combinaison de procédés pyrométallurgiques et hydrométallurgiques est utilisée pour le recyclage ultérieur. La pyrolyse sous vide peut être employée pour séparer le flux d'alliages métalliques en composants individuels. Si la masse noire est également traitée par pyrométallurgie, le lithium peut faire partie du produit de scories, qui peut ensuite être traité pour récupérer le lithium ou être directement utilisé dans des applications de construction. En alternative, la masse noire est traitée par une série de processus hydrométallurgiques pour lessiver les métaux lourds du contenu en graphite de carbone. À partir de là, le lithium, le cobalt, le nickel et le manganèse sont chacun séparés par extraction par solvant et récupérés sous forme de sels, qui peuvent ensuite être utilisés comme matériaux de base pour de nouvelles piles et batteries.

Lorsque les processus pyrométallurgiques sont utilisés pour le traitement des piles et batteries au lithium-ion rechargeables, les matériaux organiques (tels que les plastiques utilisés pour les séparateurs d'électrodes) sont consommés comme combustible pour le four pyrométallurgique et ne peuvent donc pas être récupérés.

Le cobalt peut être récupéré hydrométallurgiquement des piles et batteries au lithium-ion rechargeables par électrolyse ou par précipitation sous forme de Co(OH)3 par ajout de hypochlorite de sodium.

Produits finis

Plastiques
Papier
Acier
Sels de lithium
Scorie riche en lithium
Sulfate de cobalt
Sulfate de nickel
Manganèse

Malheureusement, les produits finis du cobalt, du nickel et du lithium ne sont pas assez purs pour être réutilisés directement dans la production de nouvelles piles et batteries. Ils doivent être davantage raffinés en PCAM (matériau actif de cathode précurseur) et ensuite en CAM (matériau actif de cathode).

Tendances futures

Il y a de nombreuses avancées dans le domaine des piles et batteries au lithium-ion rechargeables. En termes de production, des recherches sont menées sur des options d'électrolytes solides non inflammables pour réduire le risque d'incendie. Les coûts s'améliorent grâce au remplacement du cobalt (cher) par des alternatives moins coûteuses, tout comme l'efficacité et la durée de vie.

En ce qui concerne le recyclage, les processus hydrométallurgiques sont une tendance croissante pour récupérer le lithium utilisable à partir de piles et batteries usagées. De nombreuses nouvelles méthodes sont testées à l'échelle du laboratoire, et les gouvernements du monde entier offrent de fortes incitations aux entreprises pour innover dans la production et le recyclage des piles et batteries au lithium-ion rechargeables.

La biohydrométallurgie est une piste passionnante et unique actuellement à l'étude. Un processus de lixiviation biologique a été exploré, récupérant 100 % de cuivre et de lithium, et 75 % d'aluminium en utilisant différents acides et bactéries vivantes ! Les bactéries digèrent les composés de déchets de piles et batteries et isolent les métaux et les oxydes métalliques. Ce processus est extrêmement économique, a de faibles émissions et peut fonctionner avec des flux d'entrée relativement impurs, mais il est actuellement trop lent pour être commercialement viable.

Pourquoi ne récupère-t-on pas davantage de lithium de ces piles et batteries ?

Il y a deux principales raisons pour lesquelles les méthodes de recyclage actuelles ne récupèrent souvent pas le lithium de ces cellules :

La technologie des piles et batteries au lithium-ion évolue constamment, ce qui signifie que les méthodes de recyclage doivent également être régulièrement ajustées. De ce fait, les méthodes plus spécifiques, axées sur le lithium, risquent de devenir obsolètes.
La récupération du lithium à partir de piles et batteries usagées est environ cinq fois plus coûteuse que son extraction à partir de la terre, ce qui la rend économiquement non viable à l'heure actuelle. Les prix actuels du lithium ne reflètent pas les coûts environnementaux ni l'impact sur les communautés où le matériau est extrait.

Cependant, les subventions gouvernementales et la législation aident à renverser la tendance, et les méthodes pyrométallurgiques sont lentement transformées pour intégrer des étapes hydrométallurgiques afin de récupérer le lithium. Ce que nous décrivons ici est une approche générale utilisée à l'échelle industrielle par différentes installations à travers le monde.