Nickel-métal hydrure

À propos

Anode : hydrure métallique
Cathode : oxyhydroxyde de nickel
Électrolyte : hydroxyde de potassium
Type : rechargeable
Tension nominale de la cellule : 1,2 volt
Densité énergétique : 140 à 300 W·h/L
Taux d'auto-décharge mensuel : 30 %, selon la température de stockage

Avantages :

Polyvalent – les cellules NiMH servent à de nombreuses applications, des appareils photo aux véhicules électriques
Haute capacité – comparée aux cellules NiCd
Faible toxicité – les NiMH ne contiennent pas de métaux lourdement toxiques

Inconvénients :

Ressources limitées – les terres rares comme le lanthane sont rares
Effet mémoire – les cellules NiMH présentent un effet mémoire (bien que moins prononcé que chez les NiCd)
Faible tension par cellule – cellules de 1,2 volt, nécessitant de nombreuses cellules pour créer des batteries à tension élevée.

Informations générales sur le nickel-hydrure métallique

Les batteries NiMH sont apparues sur le marché pour la première fois en 1989 et ont rapidement remplacé les batteries NiCd grâce à leur plus grande capacité (jusqu'à trois fois supérieure) et leur densité énergétique. Elles utilisent des types de cathode et d'anode similaires aux cellules NiCd, mais remplacent le cadmium toxique de l’anode par un alliage absorbant l’hydrogène. Un inconvénient de cette chimie est que les cellules NiMH sont plus sensibles que les cellules NiCd et ont un taux d'autodécharge nettement plus élevé. De plus, elles présentent, tout comme les NiCd, une forme d'effet mémoire.

Comprendre l'effet mémoire

L'effet de mémoire est souvent mal compris en raison de ses origines et d'un phénomène similaire qui fonctionne de manière totalement différente. Le véritable effet de mémoire se produit uniquement avec les batteries nickel-cadmium frittées qui sont systématiquement déchargées jusqu’au même niveau exact avant d’être rechargées, et qui ne sont jamais surchargées. Il s'agit toutefois d'un phénomène extrêmement rare, qui s'avère difficile à reproduire, même dans des conditions de laboratoire. En revanche, les cellules NiCd (et dans une moindre mesure les cellules NiMH), présentent souvent une formation de cristaux à la surfaces de nickel et de cadmium. Cela se produit lorsque la batterie est régulièrement surchargée ou n'est pas complètement déchargée. Les cristaux réduisent la surface active, ce qui diminue les performances de la batterie. De plus, les températures élevées et basses peuvent également affecter négativement les performances, tout comme le vieillissement et l'endommagement des cellules — des facteurs qui sont souvent attribués à tort à l'effet de mémoire. Les cellules NiMH sont moins sujettes à la formation de cristaux que les cellules NiCd, parce que seule la cathode de nickel est sensible et aucun cadmium n'est utilisé dans l'anode.

Comme de nombreuses autres technologies de batteries, les batteries NiMH perdent en popularité avec l'essor des cellules lithium-ion. Au Japon, en 2000, environ la moitié de toutes les batteries rechargeables vendues étaient des batteries NiMH, mais cette part a chuté à 22 % en 2010. Les innovations apportées à la technologie NiMH en 2015 ont permis d'améliorer la durabilité et de réduire le poids des batteries grâce à des modifications de leur microstructure, ce qui a augmenté encore davantage la densité énergétique.

La chimie des batteries NiMH

La réaction à l'électrode négative (anode) qui se produit dans une cellule NiMH est :

H2O + M + e− ⇌ OH− + MH

À l'électrode positive (cathode), l’oxyhydroxyde de nickel, NiO(OH), est formé :

Ni(OH)2 + OH− ⇌ NiO(OH) + H2O + e−

Pourquoi recycler les batteries NiMH ?

Les batteries NiMH sont considérées comme relativement non toxiques. Les principaux points d'attention concernent la gestion adéquate du nickel (qui est toxique pour certaines plantes) et l’électrolyte alcalin à base d’hydroxyde de potassium : une substance corrosive qui peut provoquer des brûlures, de la cécité et d'autres problèmes de santé. En même temps, elles contiennent des quantités importantes de matériaux à forte valeur économique et technologique, tels que le nickel, le cobalt et les terres rares (TR). Environ 87 % des batteries nickel-métal hydrure usagées peuvent être recyclées, dont 18 % sont du nickel, 17 % des terres rares et 4 % de cobalt.

Aujourd'hui, le recyclage des batteries NiMH est même plus rentable que celui des batteries au plomb-acide — une incitation supplémentaire pour renforcer les efforts de recyclage.

Applications les plus courantes

Les batteries NiMH ont remplacé les batteries nickel-cadmium dans de nombreuses applications. Ce sont des batteries rechargeables durables et économiques qui sont utilisées dans les outils électriques, les appareils photo et autres dispositifs électroniques portables, tels que les brosses à dents électriques. Elles étaient également utilisées par le passé dans les véhicules électriques et sont toujours employées dans les véhicules hybrides. En 2008, plus de deux millions d'appareils fonctionnant avec des batteries NiMH ont été produits.

Points forts du processus

Comminution

Les batteries NiMH usagées (collectées par des installations de tri) sont déchiquetées dans un broyeur, tel qu'un broyeur à flux croisé. Au cours de leur cycle de vie, les batteries NiMH produisent de petites quantités d'hydrogène, qui restent piégées dans la cellule. Lorsque les batteries sont fragmentées dans le broyeur, l'hydrogène est libéré et est immédiatement aspiré afin d'éviter toute accumulation et réaction dangereuse.

Le contenu broyé est ensuite stabilisé et ventilé pendant une courte période afin d'éliminer les derniers résidus d'hydrogène et l'électrolyte, l'hydroxyde de potassium.

Procédés pyrométallurgiques et hydrométallurgiques

Lors du recyclage des batteries NiMH, la pyrométallurgie et l'hydrométallurgie sont souvent combinées pour obtenir les meilleurs résultats. Par exemple :

La distillation pyrométallurgique sous vide peut être réalisée dans un four à induction, similaire au traitement des cellules NiCd. Lorsque la température augmente, l'eau et les huiles s'évaporent d'abord, puis sont récupérées. En poursuivant le chauffage jusqu’à 1200 à 2000 °C, le laitier remonte à la surface du mélange fondu. Il peut alors être écumé puis traité ultérieurement afin de récupérer les terres rares en vue de leur raffinage. L'alliage métallique restant ressemble à celui du processus NiCd. Celui-ci est coulé en lingots et peut être raffiné par des entreprises métallurgiques spécialisées ou utilisé directement pour la production d'acier.

Les scories contiennent des terres rares telles que le cérium, le lanthane et le néodyme, qui peuvent être récupérées par pyrométallurgie ou hydrométallurgie. La récupération des terres rares est un développement récent et en constante évolution, car ces métaux revêtent une importance croissante et leur recyclage est de plus en plus souvent imposé par la législation.

L'hydrométallurgie est probablement mieux adaptée à cette tâche, car elle permet de récupérer intégralement les terres rares avec une pureté élevé, tout en utilisant moins d'énergie et en générant moins de déchets. Lors de la lixiviation acide, les métaux des terres rares sont dissous par oxydation, puis récupérés au moyen d’étapes de précipitation et d’extraction par solvant. Les terres rares sont ainsi finalement obtenues sous forme de sels et de métaux purs.

Certaines méthodes utilisées aujourd'hui emploient exclusivement des méthodes hydrométallurgiques ou pyrométallurgiques (et pas les deux), ce qui affecte le rendement final et la pureté.

Éléments de terres rares (ETR) présents dans le laitier

Récupération hydrométallurgique

Produits finis

Plastiques polymères
Papier
Acier
Alliage de nickel, fer et cobalt
Éléments Terres Rares (ETR)
Cuivre
Zinc
Scorie

*(Certains de ces produits peuvent être consommés pour produire de l'énergie dans un processus pyrométallurgique ou finir dans la scorie).

Tendances futures

Comme beaucoup d'autres types de batteries plus anciens, l'utilisation des batteries NiMH diminue progressivement, alors qu'elles sont remplacées par des technologies plus récentes telles que les lithium-ion. Elles ne sont plus compétitives dans l'industrie des véhicules électriques et ont été remplacées dans de nombreux appareils électroniques portables par la technologie lithium-ion, qui offre plusieurs avantages comme une densité énergétique plus élevée et donc une plus grande autonomie. Cependant, de nombreuses cellules NiMH sont encore produites et circulent dans le monde, et devront finalement être recyclées.

Au sein de l’Union européenne, les terres rares, comme celles utilisées dans les cellules NiMH, sont classées comme matières premières critiques (Critical Raw Materials, CRM). Ce cadre réglementaire a suscité un vif intérêt pour des méthodes de recyclage avancées capables de récupérer efficacement ces matériaux. Les entreprises de recyclage utiliseront probablement des procédés hydrométallurgiques ou une combinaison de pyrométallurgie et d'hydrométallurgie pour se conformer aux réglementations.