Les problèmes liés au recyclage des batteries au lithium-ion et les solutions

Le défi croissant du recyclage des batteries lithium-ion doit être abordé dès la phase de conception. À ce jour, cependant, les fabricants se sont davantage concentrés sur la sécurité, la densité de puissance et le cycle de charge/décharge.

Les chercheurs en recyclage des batteries au lithium-ion des universités britanniques de Leicester, Newcastle et Birmingham, de la Faraday Institution anglaise, des américains du ReCell Center et de l’Argonne National Laboratory (deux entités du ministère de l’Energie américain, le DOE) ont examiné la conception des produits et publié leurs conclusions dans un document intitulé « L’importance de la conception dans le recyclage des batteries au lithium-ion – une revue critique », publié dans Green Chemistry.

« Pour créer une économie circulaire pour n’importe quel matériau, il est important d’avoir peu de composants, un coût plus faible pour le processus secondaire [recyclage] que pour le processus primaire [extraction des matières premières], un schéma de purification simple, des composants de valeur, et un mécanisme de collecte et de séparation », écrivent les auteurs. « Cela est également utile lorsque le matériau a un impact environnemental important s’il n’est pas recyclé, car cela tend à rendre son recyclage obligatoire. »

Plomb-acide

Les batteries au plomb répondent à ces exigences de conception, ce qui explique un taux de collecte proche de 100 % au Japon, aux États-Unis et dans la plupart des pays européens, et un régime de recyclage qui permet de récupérer plus de 98 % de la masse totale des batteries. Les batteries au plomb sont de conception simple, avec un boîtier en polypropylène, un électrolyte et deux électrodes, faites de plomb et d’oxyde de plomb. La séparation des composants par densité est relativement simple étant donné que le plomb et le polypropylène ont des valeurs de 11,3 et 0,9 g/cm^-3.

Les valeurs de densité similaires des cathodes et des collecteurs de courant dans les batteries lithium-ion rendent une approche similaire impossible. Par conséquent, les dispositifs au lithium-ion nécessitent des approches telles que les réactions d’oxydo-réduction, la solubilité ou l’exploitation des propriétés électrostatiques et magnétiques pour séparer les matériaux qui composent les piles.

L’absence d’étiquetage est un autre obstacle important à un régime de recyclage efficace. Contrairement aux batteries plomb-acide, les dispositifs au lithium présentent une variété de chimies et d’architectures, telles que les batteries NCA, NMC, LMO, LCO et LFP, qui peuvent toutes se combiner dans différents composants chimiques. Les piles peuvent également se présenter sous forme de sachet, de prisme ou de cylindre avant d’être soudées en modules et combinées dans le pack.

Coûts

Le groupe de recherche anglo-américain a déclaré qu’il n’existe pas de normes mondiales pour l’étiquetage des piles, qui est nécessaire pour indiquer clairement la composition des appareils aux recycleurs. Par conséquent, l’hydrométallurgie – qui implique le broyage et un traitement acide – et la pyrométallurgie, fusion à haute intensité énergétique avant l’étape de l’acide, sont devenues monnaie courante dans le recyclage des batteries lithium-ion. L’hydrométallurgie nécessite un prétraitement, une décharge et un démantèlement correct plutôt qu’un “broyage”, c’est-à-dire un concassage ou un déchiquetage.

La manipulation et tout prétraitement pourraient être effectués par la robotique, mais seulement si le type et l’architecture de la batterie sont clairement indiqués, selon les auteurs de l’étude. Les chercheurs signalent que l’organisme mondial de l’industrie automobile SAE International a récemment recommandé un système d’étiquetage. Alors que l’ONG Greenpeace East Asia appelle aujourd’hui la Chine à placer l’utilisation et le recyclage des batteries de seconde vie au cœur de son plan zéro carbone pour 2060, les auteurs du document sur le recyclage des batteries au lithium-ion ont déclaré que Pékin envisageait des normes d’étiquetage pour les appareils au lithium.

Les différences dans la disposition des cellules et des modules au sein de packs de batteries – parfois au sein d’un même parc de véhicules électriques – constituent un autre obstacle pour les recycleurs. Les dispositifs au lithium-ion sont organisés de manière à maximiser la sécurité et la longévité des cellules au détriment de leur recyclabilité.

Plus le nombre de cellules est élevé, plus la proportion de matériaux actifs – et précieux – par rapport au poids des batteries est faible. L’augmentation du nombre de cellules complique également les étapes d’ouverture et de séparation, ce qui augmente les coûts de recyclage. Un véhicule électrique (VE) Tesla modèle S avec une batterie de 85 kWh contient 16 modules, chacun comprenant 444 cellules – 7 104 cellules cylindriques dans chaque voiture. Une BMW i3 comporte 96 cellules prismatiques ; une Nissan Leaf 192 cellules en sachet.

« Lorsque le démontage est lent et coûteux, la seule méthode de recyclage devient la pyrométallurgie, qui est coûteuse et inefficace », écrivent les auteurs de l’article. Le recyclage se trouve donc dans une situation inextricable de type “Catch 22”, où la conception des cellules et des packs prend le pas sur la stratégie de recyclage.

Le désassemblage manuel des packs et des modules pour extraire les cellules individuelles est l’option préférée pour récupérer les matériaux purs mais prend plus de temps que le broyage. Ces délais sont exacerbés par les innombrables combinaisons de conception des cellules et des emballages qui rendent le désassemblage automatisé pratiquement impossible.

Les auteurs de l’article suggèrent de normaliser les fixations de la couche externe et les arrangements des modules et des cellules pour surmonter le problème, faisant écho aux recommandations de Greenpeace East Asia pour l’industrie chinoise des batteries. Les packs pourraient être fermés à l’aide de vis, de dispositifs d’emboîtement ou d’autres mécanismes de couple auxquels un outil standard permettrait d’accéder relativement facilement et sans endommager les couches sous-jacentes.

Des barres omnibus solides

Les batteries pourraient également comporter des barres omnibus (busbars) solides plutôt que les câbles flexibles qui relient les modules à l’heure actuelle, indiquent les chercheurs. De telles structures pourraient voir les cellules connectées directement à la barre omnibus sans avoir besoin d’un module et les robots pourraient plus facilement détacher les cellules de la barre omnibus. Les composants des cellules pourraient être plus facilement accessibles et séparés grâce à l’ajout d’un point de rupture ou d’un autre mécanisme d’ouverture.

Les universitaires suggèrent également de se concentrer sur les liants, actuellement non réversibles, qui fixent les matériaux actifs à la couche polymère dans les dispositifs lithium-ion. L’utilisation de liants conventionnels augmente les coûts de séparation des matériaux de la cathode et de l’anode du polymère.

« Une approche dès la conception pour le recyclage implique souvent des changements mineurs dans la structure des produits, mais peut aider à établir une économie circulaire si elle renvoie les matières premières dans le processus de fabrication à un coût considérablement réduit par rapport aux sources primaires », ajoutent les auteurs de l’article.

Solutions

Les chercheurs affirment que la séparation des matériaux d’électrode sans broyage pourrait faire baisser le coût du recyclage jusqu’à 70% moins cher que les dépenses d’approvisionnement en matériaux bruts. Un étiquetage complet, des architectures simplifiées pour le vrac solide, une conception facile à ouvrir et des adhésifs et liants réversibles résoudraient la majeure partie des problèmes de recyclage des batteries au lithium-ion, insiste le groupe américano-britannique.

Les universitaires suggèrent également comment introduire de telles réglementations, estimant qu’une responsabilité élargie des fabricants et une obligation de reprendre les produits en fin de vie pousseraient les ingénieurs à adopter une approche dès la conception en faveur du recyclage.

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