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RÉSUMÉ
Cet article traite du recyclage des batteries au lithium et analyse dans le contexte socio-économique des prochaines années les différentes approches de ré-emploi et de recyclage chimique. Les méthodes de recyclage vont évoluer de la pyrométallurgie qui récupère dans un haut fourneau les métaux de plus grande valeur, à l’hydrométallurgie qui recycle en boucle fermée tous les éléments constitutifs de la batterie puis finalement au recyclage direct qui sépare tous les composants pour les régénérer et les ré-employer sans les détruire. Ces différentes technologies sont complémentaires. Elles évolueront selon le contexte géopolitique d’accès aux ressources minérales, le prix de l’énergie et des ressources et les règlementations encourageant à développer une industrie adaptée à l’économie circulaire.
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Philippe BARBOUX : Professeur émérite - Chimie Paristech, Université Paris Sciences et Lettres, Paris, France
INTRODUCTION
Les batteries lithium-ion sont à l’heure actuelle les accumulateurs électrochimiques d’énergie les plus utilisés, particulièrement dans les domaines de l’électronique et des véhicules électriques. Leur densité d’énergie massique et volumique élevées ainsi que leur très bonne tenue en cyclage en font les systèmes les plus appropriés pour fournir de l’énergie mobile au coût le plus faible.
Leur consommation va décupler dans les dix prochaines années à cause du développement des véhicules électriques. Mais ceci pose la question de la disponibilité des matières premières qui implique un recyclage obligatoire pour ne pas épuiser toutes les ressources mondiales. Le développement d’usines de fabrication de batteries en Europe pose aussi le problème de l’approvisionnement local en ressources. Le recyclage des batteries au lithium représente un enjeu majeur de notre développement industriel pour les années à venir car il diminue le risque d’approvisionnement.
Malheureusement, le recyclage de ces produits peut s’avérer dangereux en raison notamment des risques d’explosion ou d’incendie, de la toxicité des métaux traités. On s’est d’abord limité à des méthodes simples comme la pyrométallurgie permettant d’éliminer les déchets tout en récupérant seulement les métaux les plus coûteux (cobalt, nickel) et les plus facilement récupérables pour les ré-injecter dans l’industrie de la métallurgie. Mais, ces méthodes sont gourmandes en énergie et d’autres éléments voient leur valeur fortement augmenter. Également le flux croissant de batteries usagées rend économiquement viable l’émergence d'un recyclage en boucle fermée (de batteries pour refaire des batteries). Les contraintes seront donc de recycler plus de batteries en nombre, d’améliorer le taux de recyclage de chaque batterie en récupérant de façon exhaustive tous les éléments pour les réutiliser dans de nouvelles batteries. Or, la fabrication de batteries nécessite des produits de grande pureté dont les séquences de séparation-purification et refabrication devront s’adapter pour obtenir un cycle complètement fermé. Enfin, la standardisation permettra des séquences de recyclages complexes et robotisés incluant la récupération des éléments pièce par pièce pour les réparer ou les régénérer avant de les réinjecter dans les nouvelles batteries (recyclage direct).
Il est donc nécessaire de comprendre les risques et les particularités du recyclage des batteries et les voies offertes pour effectuer un recyclage plus vertueux, moins coûteux en énergie, en émissions et plus exhaustif.
Cet article discutera la constitution des batteries au lithium puis passera en revue les techniques complémentaires de démantèlement, de traitements thermiques (pyrométallurgie) et les voies de séparations en solution (hydrométallurgie). L’objectif futur est de concevoir des batteries aisément recyclables avec une récupération exhaustive de tous les éléments et les méthodes de récupération par séparations et régénérations sans totalement détruire les matériaux (recyclage direct) seront finalement présentées en tant que perspectives.
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1. Batteries lithium-ion
1.1 Cellule d’accumulateur lithium-ion
La batterie lithium-ion doit son nom au fait que le lithium n’est présent que sous forme d’ions qui se déplacent au cours des cycles de charge-décharge entre deux électrodes où ils s’insèrent au cours d’une réaction électrochimique. Le modèle le plus courant est basé sur du graphite et des oxydes qui serviront d’exemple (figure 1) :
-
pendant la décharge l’électrode négative (graphite lithié) s’oxyde, on parle de réaction anodique :
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l’électrode positive (oxyde MO2) se réduit par insertion de lithium car le degré d’oxydation du métal diminue, on parle de réaction cathodique :
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le bilan de la réaction de décharge électrochimique est donc :
Ces réactions sont réversibles et lorsque l’on charge la cellule, donc pour stocker de l‘énergie, on fait passer un courant entre l’électrode positive qui s’oxyde et devient donc l’anode alors que son potentiel augmente encore plus tandis que l’électrode négative...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - ARMAND (M.) et al - Lithium-ion batteries – Current state of the art and anticipated developments. - J. Power Sources, vol. 479, p. 228708, doi : 10.1016/j.jpowsour.2020.228708 (2020).
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(2) - TARASCON (J.M.), ARMAND (M.) - Issues and challenges facing rechargeable lithium batteries. - Nature, vol. 414, n° 6861, p. 359-367, doi : 10.1038/35104644 (2001).
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(3) - DIEKMANN (J.) et al - Ecological recycling of lithium-ion batteries from electric vehicles with focus on mechanical processes. - J. Electrochem. Soc., vol. 164, n° 1, p. A6184-A6191, doi : 10.1149/2.0271701jes (2017).
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(4) - MELIN (H.E.) - State-of-the-art in reuse and recycling of lithium-ion batteries. - Circ. Energy Storage (2019).
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(5) - VIKSTRÖM (H.), DAVIDSSON (S.), HÖÖK (M.) - Lithium availability and future production outlooks. - Appl. Energy, vol. 110, p. 252-266, doi : 10.1016/j.apenergy.2013.04.005 (2013).
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...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Décret n° 2015-849 du 10 juillet 2015 relatif à la mise sur le marché de piles et accumulateurs et à la collecte et au traitement de leurs déchets.
Décret n° 2009-1139 du 22 septembre 2009 transposant la directive européenne 2006/66/CE relative aux piles et accumulateurs ainsi qu’aux déchets de piles et d’accumulateurs.
Le décret est codifié aux articles R. 543-124 à R. 543-134 du Code de l’environnement.
Proposition de Règlement du Parlement européen et du Conseil relatif aux batteries et aux déchets de batteries, abrogeant la directive modifiant le règlement (UE) 2019/1020.
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Method for preparing nickel and cobalt doped lithium manganate by using waste and old lithium ionic cell as raw material CN200810198972.
A Method of Recycling Valuable Metal from Waste and Old Lithium ion Battery. CN108987841A, 2018.
Method for recycling nickel-cobalt-manganese ternary anode material WO2014/154152A1.
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