Un nouveau réacteur de recharge-recyclage transforme les déchets de batteries en nouvelle matière première pour le lithium
"La production directe d'hydroxyde de lithium de haute pureté raccourcit le chemin vers les nouvelles batteries"
Alors que l'adoption des véhicules électriques s'accélère au niveau mondial, les batteries en fin de vie deviennent rapidement un flux de déchets important. L'extraction et le raffinage du lithium sont coûteux, et la plupart des méthodes de recyclage actuelles consomment beaucoup d'énergie et de produits chimiques, produisant souvent du carbonate de lithium qui doit être transformé en hydroxyde de lithium avant d'être réutilisé.
De gauche à droite, Sibani Lisa Biswal, Yuge Feng et Haotian Wang.
Jorge Vidal/Rice University
Au lieu de fondre ou de dissoudre les matériaux déchiquetés des batteries ("masse noire") dans des acides forts, une équipe d'ingénieurs de l'université Rice a mis au point une approche plus propre en rechargeant les matériaux cathodiques usagés pour faire sortir les ions lithium dans l'eau, où ils se combinent avec l'hydroxyde pour former de l'hydroxyde de lithium de grande pureté.
"Nous avons posé une question fondamentale : Si la charge d'une batterie extrait le lithium d'une cathode, pourquoi ne pas utiliser la même réaction pour le recycler ?", explique Sibani Lisa Biswal, présidente du département d'ingénierie chimique et biomoléculaire de Rice et titulaire de la chaire William M. McCardell d'ingénierie chimique. "En associant cette chimie à un réacteur électrochimique compact, nous pouvons séparer proprement le lithium et produire le sel exact que les fabricants souhaitent.
Dans une batterie en fonctionnement, la charge extrait les ions lithium de la cathode. Le système de Rice applique le même principe aux matériaux de cathode usagés tels que le phosphate de fer lithié. Lorsque la réaction commence, les ions lithium migrent à travers une fine membrane échangeuse de cations dans un courant d'eau. À la contre-électrode, une autre réaction simple divise l'eau pour générer de l'hydroxyde. Le lithium et l'hydroxyde se combinent ensuite dans le courant d'eau pour former de l'hydroxyde de lithium, sans qu'il soit nécessaire d'utiliser des acides forts ou des produits chimiques supplémentaires.
La recherche, récemment publiée dans Joule, démontre un réacteur membrane-électrode à écart nul qui n'utilise que de l'électricité, de l'eau et des déchets de batterie. Dans certains modes, le processus ne nécessite que 103 kilojoules d'énergie par kilogramme de masse noire, soit un ordre de grandeur inférieur à celui des méthodes courantes de lixiviation à l'acide (sans compter les étapes de traitement supplémentaires). L'équipe a dimensionné le dispositif à 20 centimètres carrés, a effectué un test de stabilité de 1 000 heures et a traité 57 grammes de masse noire industrielle fournie par son partenaire industriel TotalEnergies.
"La production directe d'hydroxyde de lithium de haute pureté raccourcit le chemin vers les nouvelles batteries", a déclaré Haotian Wang, professeur agrégé d'ingénierie chimique et biomoléculaire et co-auteur correspondant de l'étude avec Biswal. "Cela signifie moins d'étapes de traitement, moins de déchets et une chaîne d'approvisionnement plus résistante.
Le processus a produit de l'hydroxyde de lithium pur à plus de 99 % - suffisamment propre pour être réinjecté directement dans la fabrication de batteries. Il s'est également avéré très efficace sur le plan énergétique, ne consommant que 103 kilojoules d'énergie par kilogramme de déchets dans un mode et 536 kilojoules dans un autre. Le système a fait preuve de durabilité et d'évolutivité, en maintenant un taux moyen de récupération du lithium de près de 90 % sur 1 000 heures de fonctionnement continu.
L'approche a également fonctionné avec plusieurs types de batteries, y compris le phosphate de fer lithié, l'oxyde de manganèse lithié et les variantes nickel-manganèse-cobalt. Plus prometteur encore, les chercheurs ont démontré le traitement rouleau par rouleau d'électrodes entières de phosphate de fer-lithium directement à partir de feuilles d'aluminium, sans grattage ni prétraitement.
"La démonstration rouleau par rouleau montre comment ce procédé pourrait s'intégrer dans des lignes de désassemblage automatisées", a déclaré M. Wang. "On introduit l'électrode, on alimente le réacteur avec de l'électricité à faible teneur en carbone et on extrait de l'hydroxyde de lithium de qualité batterie.
Les chercheurs prévoient ensuite d'étendre la technologie en développant des piles de plus grande surface, en augmentant la charge de masse noire et en concevant des membranes hydrophobes plus sélectives pour maintenir un rendement élevé à des concentrations d'hydroxyde de lithium plus importantes. Ils considèrent également que le post-traitement - la concentration et la cristallisation de l'hydroxyde de lithium - constitue la prochaine grande opportunité de réduire la consommation d'énergie et les émissions globales.
"Nous avons rendu l'extraction du lithium plus propre et plus simple", a déclaré M. Biswal. Nous avons rendu l'extraction du lithium plus propre et plus simple", a déclaré M. Biswal. "Nous voyons maintenant clairement le prochain goulot d'étranglement. En s'attaquant à la concentration, on obtient une durabilité encore plus grande.
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Publication originale
Yuge Feng, Yoon Park, Shaoyun Hao, Chang Qiu, Shoukun Zhang, Zhou Yu, Zhiwei Fang, Tanguy Terlier, Chase Sellers, Khalid Mateen, Frank Despinois, Moussa Kane, Sibani Lisa Biswal, Haotian Wang; "A direct electrochemical Li recovery from spent Li-ion battery cathode for high-purity lithium hydroxide feedstock"; Joule
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