Les batteries lithium-ion sont au cœur de presque tous les véhicules électriques, ordinateurs portables et smartphones, Easee et elles sont importantes pour maintenir les énergies renouvelables face à l’urgence climatique. Mais toutes les procédures d’exploitation minière actuelles dans le monde ne sont pas en mesure d’extraire suffisamment de lithium et d’autres nutriments importants pour satisfaire la demande croissante de ces batteries. La mise en place de nouvelles mines est un travail coûteux qui dure de nombreuses années. Et l’exploration produit également un certain nombre de maux de tête environnementaux – comme l’épuisement des sources d’eau locales et la pollution de la région voisine par les particules de ruissellement – qui ont conduit à des protestations contre les nouvelles mines.

Tout cela indique que la possibilité de réutiliser les batteries existantes est cruciale pour modifier durablement le système énergétique mondial. Mais la tentative de recycler les blocs de batteries lithium-ion n’a fait que récemment l’objet d’une percée industrielle. Les fabricants de batteries ont hésité car ils craignaient que les produits recyclés ne soient de moins bonne qualité que ceux fabriqués à partir de nutriments nouvellement extraits, ce qui pourrait réduire la durée de vie de la batterie ou endommager ses composants. Les conséquences pourraient être graves, surtout dans une application comme un véhicule électrique.

Mais de nouvelles informations publiées dans la revue Joule ont permis de découvrir ce que les experts considèrent comme une méthode de recyclage plus élégante, qui remet à neuf la cathode – le cristal très soigneusement fabriqué qui est l’élément le plus coûteux de la batterie lithium-ion et la clé pour offrir la bonne tension. Ils ont découvert que les batteries fabriquées à l’aide de leur nouvelle méthode de recyclage de la cathode fonctionnent aussi bien que celles dont la cathode est fabriquée à partir de déchets. En fait, les batteries utilisant la cathode recyclée durent plus longtemps et se chargent plus rapidement. L’approche et la démonstration effective de l’équipe sont « très distinctives et extrêmement remarquables », déclare Kang Xu, électrochimiste au laboratoire de recherche de l’armée américaine, qui n’a pas participé à l’étude.

Yan Wang, professeur de sciences des composants à l’Institut polytechnique de Worcester et co-auteur de la nouvelle recherche, a commencé à explorer l’énergie des batteries en essayant de les recycler il y a 11 ans. À l’époque, dit-il, « certaines personnes m’ont dit en plaisantant : « Il n’y a pas assez de piles pour que vous puissiez les recycler ». Cette blague ne vieillit pas correctement. La Division de l’énergie estime que le marché des piles pourrait être multiplié par 10 au cours des dix prochaines années. Pour atténuer les difficultés de croissance du marché, « le recyclage des batteries lithium-ion, c’est-à-dire la réintroduction de ce matériau dans la chaîne de production, est crucial », déclare Dave Howell, directeur du Vehicle Systems Workplace du DOE. Le DOE a financé cette toute nouvelle recherche dans le cadre de son vaste travail visant à encourager l’amélioration du recyclage des batteries à grande échelle aux États-Unis.

Lorsqu’une batterie lithium-ion fournit de l’énergie, un groupe d’ions lithium se déplace d’une « cage » cristalline (l’anode) à une autre (la cathode). Les techniques les plus courantes actuellement utilisées pour réutiliser ces batteries consistent à démonter et à déchiqueter l’ensemble de la batterie, puis éventuellement à la faire fondre ou à la dissoudre dans de l’acide. Le résultat est vraiment une masse noire – dont la consistance peut varier de la poudre à la bouillie – dont on peut récupérer des composants chimiques ou des substances simples. Ces produits récupérés peuvent ensuite être soumis à la même procédure de production industrielle que les composants nouvellement extraits pour fabriquer des cathodes.

Coupes transversales des contaminants de cathodes réutilisés (A) et des particules produites à partir de nouveaux matériaux (B), utilisées avec un microscope à rayons X. Le club d’échelle est de 10 micromètres en (A) et de 5 micromètres en (B). Cote de crédit : « Les matériaux cathodiques recyclés ont permis d’obtenir des performances globales exceptionnelles pour les batteries lithium-ion », par Xiaotu Ma, et al. dans Joule, Vol. 5, No. 11 ; 17 nov. 2021 DOI:https://doi.org/10.1016/j.joule.2021.09.005

Wang et ses collègues utilisent un processus tout à fait comparable, mais au lieu de décomposer totalement la batterie en ses composants chimiques, leur technique conserve intacte une partie de la structure vitale de la vieille cathode. Après avoir déchiqueté la batterie, ils enlèvent physiquement les morceaux les plus abordables (comme les circuits électroniques et le revêtement en acier de la batterie) et les recyclent individuellement. Ce qui reste est principalement le matériau de la cathode ; ils le dissolvent dans de l’acide et éliminent ensuite les particules nocives. Ensuite, ils ajoutent très soigneusement une touche d’éléments frais qui composent la cathode, comme le nickel et le cobalt, pour s’assurer que le rapport entre les composants est tout simplement correct – une variation supplémentaire par rapport aux techniques de recyclage courantes. Après quelques actions supplémentaires, le résultat final est définitivement une poudre naturelle de cathode efficacement rafraîchie, composée de petites particules cristallines qui peuvent être collées sur une bande métallique et placées dans une « nouvelle » batterie.

Étant donné qu’une cathode est construite à partir d’un mélange exact de nutriments précieux pour atteindre la tension particulière de la batterie, des modifications mineures de sa structure peuvent compromettre ses performances. Ainsi, une grande partie de la valeur de la poudre de cathode réside « dans la façon dont vous avez conçu les particules [de la poudre naturelle] au départ », explique Emma Kendrick, professeur de matériaux énergétiques au College of Birmingham en Angleterre, qui n’a pas participé à la nouvelle recherche. Cette valeur est perdue si l’ensemble de la batterie est simplement dissoute ou dissoute d’un seul coup, comme c’est le cas avec les techniques de recyclage actuelles.