Nickel-cadmium

À propos de

Anode : cadmium
Cathode : hydroxyde de nickel
Électrolyte : hydroxyde de potassium
Type : rechargeable
Tension nominale de la cellule : 1,2 volts
Densité énergétique : 50 – 150 Wh/L
Taux d'auto-décharge mensuel : 10 %

Avantages :

Robuste - Les cellules NiCd fonctionnent à des températures de -20° à +60°C
Décharge rapide d'énergie - Les cellules NiCd peuvent libérer toute leur énergie en seulement 1 heure

Inconvénients :

Obsolète - les NiCd ont été largement remplacés par d'autres chimies de batteries
Matériaux toxiques - le cadmium est un métal toxique qui peut être mortel pour les humains
Effet mémoire - Les cellules NiCd perdent leur capacité si elles ne sont pas régulièrement déchargées complètement

Informations générales sur le nickel-cadmium

Les batteries nickel-cadmium à électrolyte liquide ont été inventées en 1899 par l'ingénieur suédois Waldemar Jungner. Elles existent aujourd'hui sous de nombreuses formes et capacités, allant des formats AA et AAA standard aux grands systèmes d’alimentation de secours ventilés.

Autrefois privilégiées dans de nombreuses applications, des outils aux appareils photo, les cellules NiCd ont été largement abandonnées en raison de la toxicité du cadmium, ainsi que de la capacité supérieure et du prix plus avantageux des batteries nickel-hydrure métallique (NiMH).

L'avantage principal de la technologie nickel-cadmium aujourd'hui est que ces batteries peuvent fournir toute leur énergie très rapidement (parfois en environ une heure), et cela dans des conditions variées (de -20 °C à +60 °C). Elles restent aussi l'un des types de batteries les plus robustes, et sont donc parfois encore utilisées dans le secteur aéronautique.

Un point d’attention pour les batteries NiCd comme NiMH est l'effet de mémoire. Si les cellules ne sont déchargées que partiellement de manière répétée avant d’être rechargées, elles peuvent perdre de leur capacité au fil du temps, car leur aptitude à se décharger complètement diminue.

Elles sont encore utilisées dans certains dispositifs médicaux et systèmes d'alimentation de secours, comme pour l'éclairage de secours. Une autre chimie basée sur le cadmium est le tellurure de cadmium, qui est largement utilisé dans les cellules photovoltaïques à couche mince.

Un effet mémoire qui prête à confusion

L'effet mémoire réel fait référence à la mémoire cyclique : ll’idée qu’une batterie, lorsqu’elle est déchargée seulement en partie de manière répétée avant d’être rechargée, « mémorise » la quantité d’énergie utilisée et ne peut ensuite plus en fournir davantage. Ce phénomène trouve son origine dans une expérimentation aéronautique et ne s’applique qu'aux anciennes cellules NiCd avec des plaques frittées déchargées, chaque fois exactement jusqu’au même niveau avant d’être rechargées. Il est très rare, mais souvent invoqué à tort pour expliquer de mauvaises performances de la batterie. Les batteries NiCd modernes ne souffrent pas de cet effet de mémoire cyclique, mais elles sont affectées par un autre phénomène : la formation de cristaux. Celle-ci entraîne une baisse progressive similaire de la tension. La formation de cristaux se produit lorsque les batteries NiCd sont surchargées et ne sont pas correctement entretenues par un manque de cycles de décharge complète et de recharge. Les surfaces de nickel et de cadmium des électrodes se couvrent lentement de cristaux, ce qui réduit la surface active des métaux et diminue les performances de la batterie. À un stade avancé, ces cristaux peuvent même perforer le séparateur, conduisant à une autodécharge rapide et d’éventuels court-circuits.

Cadmium du monde entier

Le cadmium est extrait du sol et raffiné, mais il se trouve très rarement dans des gisements distincts. Il est généralement étroitement associé à des minerais de zinc, tels que la sphalérite. La majeure partie du cadmium primaire dans le monde est obtenue comme sous-produit de l'extraction du zinc à partir de ces minerais. Les principaux producteurs de cadmium aujourd'hui sont la Chine (34%), la Corée du Sud (18%) et le Japon (9%), bien que de nombreux autres pays contribuent également à la production mondiale de cadmium.

Applications les plus courantes

Outre les anciens outils électriques et les appareils photo, vous trouvez parfois des batteries NiCd dans certains dispositifs médicaux spécifiques et systèmes d’alimentation de secours, notamment pour l’éclairage de secours. Le tellurure de cadmium est une autre chimie de cellule basée sur le cadmium et constitue le type de cellule photovoltaïque en couche mince le plus couramment produit.

Pourquoi recycler les batteries nickel-cadmium ?

La principale préoccupation concernant les batteries nickel-cadmium est la toxicité du cadmium, qui représente de 6 à 18 % de la batterie. L'exposition à ce métal lourd peut causer des cancers et affecter différentes parties du corps. C'est pourquoi la vente de batteries nickel-cadmium est interdite dans l’Union européenne depuis 2009, sauf pour certaines applications spécifiques telles que les dispositifs médicaux, les systèmes d’alarme et l’éclairage de secours.

Points forts du procès

Se vider

Une première étape de prétraitement pour les batteries au cadmium à électrolyte liquide consiste à séparer soigneusement l'électrolyte liquide des composants solides en ouvrant les boîtiers. Cette étape doit être effectuée avec grande prudence, car l'électrolyte contient de l'hydroxyde de potassium (KOH), une base très corrosive. Le contact direct avec le KOH peut endommager les nerfs de la peau, empêchant de ressentir la gravité des brûlures chimiques. Une fois l'électrolyte liquide évacué en toute sécurité, il peut être traité séparément, tandis que les composants solides sont séchés puis regroupés avec des batteries au cadmium à électrolyte sec pour un traitement ultérieur.

Comminution et séparation physique

La réduction dans un broyeur à marteaux et la séparation physique sont des étapes standard pour le recyclage du NiCd, suivies de processus pyrométallurgiques.

Processus pyrométallurgique

La pyrolyse est effectuée pour décomposer et évaporer la teneur en cadmium ; la masse noire (après que la séparation physique soit terminée) est chauffée à environ 900 °C sous vide, dans une atmosphère de gaz inert.

Cet environnement inerte à faible pression atmosphérique favorise la décomposition du cadmium en métal pur à des températures relativement basses et empêche l'oxydation. Le résultat est du cadmium pur à 99,9 %, qui est récupéré sous forme de vapeur puis condensé dans une chambre séparée. Après l'extraction du cadmium et d'autres composants volatils, tels que le zinc, la température augmente davantage pour faire fondre le mélange. Cela permet aux impuretés de monter à la surface et sont éliminées par écumage ou soutirage afin de former des scories.

La fraction restante dans le fourneau est constituée d'un alliage de fer, de nickel et de cobalt, qui est coulé en lingots, refroidi et utilisé, entre autres, pour la production d'acier inoxydable.

La pyrométallurgie en détail

La décomposition de l'hydroxyde de cadmium et de l'hydroxyde de nickel en cadmium et en nickel intervient respectivement à 300 °C et 230 °C. Sans l'ajout d'un agent réducteur au mélange, la pression doit être régulée à 10-4 bar pour permettre la décomposition de l'oxyde de cadmium à 850 à 900 °C, résultant en vapeur de cadmium.

Avec un agent réducteur, le cadmium entre en ébullition 767 °C. Dans les deux, l'objectif est de transformer l'oxyde de cadmium en cadmium métallique, de le vaporiser, de le récupérer (avec l'eau et les huiles qui s'évaporent également) puis de le condenser en une forme liquide ou solide. Le cadmium obtenu présente une pureté de 99,9 % et peut être utilisé pour la production de nouvelles batteries NiCd. La température continue ensuite d'augmenter jusqu'à ce que le contenu soit entièrement fondu, permettant ainsi d'éliminer les impuretés de la surface par écumage et de couler les alliages métalliques purs pour un usage industriel.

Certaines installations recyclent les batteries au nickel-hydrure métallique (NiMH) dans le même lot que les batteries nickel-cadmium (NiCd), car ces deux types de batteries présentent de nombreuses similitudes, y compris les matériaux de cathode de base et l'électrolyte. Cependant, si les terres rares des batteries NiMH doivent être récupérées, des étapes supplémentaires de recyclage sont nécessaires.

Produits finis

Plastiques polymères
Papier
Acier
Alliage de nickel, fer et cobalt
Cadmium
Scories

Tendances futures

Les batteries nickel-cadmium appartiennent aujourd'hui en grande partie au passé. À l'exception de quelques applications limitées, telles que les systèmes d'alimentation de secours et les dispositifs médicaux, qui pourraient continuer à être utilisés pendant quelque temps, les batteries au cadmium sont progressivement abandonnées et remplacées par des technologies plus récentes ayant un impact moindre sur l'environnement.

Les processus de recyclage du cadmium sont déjà bien développés et très efficaces pour récupérer du cadmium de très haute pureté à partir de batteries usagées, ce qui signifie que nous attendons peu d'innovations dans ce domaine spécifique.