La fabrication et le recyclage des batteries pourraient devenir plus écologiques grâce à cette « colle »
Fini le fluor et les solvants toxiques
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Un nouveau liant pour batteries — la colle qui maintient ensemble les composants internes d’une batterie — pourrait rendre les batteries lithium-ion plus respectueuses de l’environnement et plus faciles à recycler, sans pour autant compromettre leurs performances. En mettant au point un liant sans fluor et soluble dans l’eau, les ingénieurs de l’Université de Californie à San Diego ont démontré qu’ils pouvaient simplifier à la fois la fabrication et le recyclage des batteries en réduisant les composants toxiques, la consommation d’énergie et les déchets. Les batteries fabriquées avec ce nouveau liant ont affiché des performances équivalentes à celles des batteries lithium-ion classiques.
Ce nouveau liant pour batteries pourrait permettre de réduire la quantité de composants toxiques, la consommation d'énergie et la production de déchets lors de la fabrication et du recyclage des batteries lithium-ion.
David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering
Cette avancée, publiée le 9 octobre dans *Nature Communications*, est le fruit d’une collaboration entre le laboratoire de Zheng Chen, professeur au département Aiiso Yufeng Li de génie chimique et nanotechnologique de la Jacobs School of Engineering de l’Université de Californie à San Diego, et John Muldoon, du Toyota Research Institute of North America.
Le liant est un matériau semblable à de la colle qui est mélangé aux poudres d’électrodes pour former des couches solides, lesquelles sont ensuite fixées à de fines feuilles métalliques à l’intérieur de la batterie. Ces couches sont empilées puis enroulées pour former une batterie. Bien que le liant ne représente qu’une petite fraction du poids d’une batterie, il a un impact considérable sur son processus de fabrication et de recyclage.
Les batteries lithium-ion utilisent généralement un liant contenant du fluor, car celui-ci permet d’obtenir des électrodes uniformes et fortement adhésives qui restent stables tout au long de nombreux cycles de charge et de décharge. Cela permet aux batteries d’offrir de meilleures performances et une plus grande durée de vie.
« Mais cette même stabilité rend également les batteries beaucoup plus difficiles à recycler », explique Chen, dont le laboratoire « Sustainable Materials and Energy Lab » de l’UC San Diego est spécialisé dans le développement de méthodes efficaces et respectueuses de l’environnement pour récupérer et régénérer les matériaux issus des batteries lithium-ion usagées.
Le problème du fluor dans les liants
Un liant contenant du fluor doit être dissous dans un solvant toxique avant de pouvoir être mélangé aux poudres d’électrodes. Une fois les électrodes enrobées, de grands fours de séchage sont utilisés pour évaporer le solvant. Des étapes supplémentaires sont alors nécessaires pour récupérer et purifier le solvant afin qu’il puisse être réutilisé. « Ces étapes supplémentaires augmentent considérablement le coût et la consommation d’énergie — ainsi que l’impact environnemental — de la fabrication des batteries », a déclaré le premier auteur de l’étude, Jiao Lin, chercheur postdoctoral au sein du laboratoire de Chen.
Les liants fluorés compliquent également le processus de recyclage des batteries. Ces liants laissent derrière eux des résidus tenaces qui nécessitent une chaleur élevée ou des produits chimiques corrosifs pour être éliminés. Cela génère à son tour des déchets dangereux, ainsi que des sous-produits fluorés qui contaminent les matériaux récupérés des batteries et rendent leur réutilisation dans de nouvelles batteries plus difficile.
Fin du fluor et des solvants toxiques
Pour résoudre ces deux problèmes, l’équipe de Chen a mis au point un liant sans fluor pouvant être traité à l’aide d’un solvant non toxique : l’eau. Bien qu’il existe déjà d’autres liants hydrosolubles, ceux-ci ne présentent pas la résistance et la durabilité requises pour des batteries haute performance, a expliqué Chen.
Ce nouveau liant est composé de deux polymères peu coûteux et largement utilisés. L’acide polyacrylique aide le mélange à se répartir uniformément pendant la fabrication et apporte de la souplesse. Quant à la carboxyméthylcellulose, un matériau d’origine végétale couramment utilisé dans les produits alimentaires et les produits en papier, elle apporte résistance et adhérence.
Les polymères ont d’abord été dissous dans l’eau. Ensuite, les chercheurs ont ajouté de l’acide citrique, un acide présent à l’état naturel dans les agrumes, afin de lier chimiquement les polymères entre eux. Il en résulte un réseau étroitement lié, maintenu par divers types de liaisons chimiques qui se renforcent mutuellement. Cela confère à ce liant la résistance, la souplesse, la stabilité et l’adhérence nécessaires pour rivaliser avec les liants conventionnels contenant du fluor.
Fabrication et recyclage des batteries avec le nouveau liant
Les batteries fabriquées avec ce nouveau liant sans fluor ont offert les mêmes performances initiales que les batteries lithium-ion classiques. Elles ont même conservé leur capacité plus longtemps après des centaines, voire des milliers de cycles de charge. Le liant s’est également révélé compatible avec différents types d’électrodes, notamment les cathodes au phosphate de fer lithié (LFP), les cathodes riches en nickel, les anodes en graphite et les anodes en silicium.
Ce nouveau liant pourrait également simplifier le recyclage des batteries. Au lieu d’utiliser des produits chimiques agressifs et des températures élevées pour l’éliminer, comme c’est le cas avec les liants fluorés, les chercheurs ont simplement démonté la batterie et trempé les électrodes dans de l’eau. Cela a permis de dissoudre le liant et de séparer proprement les revêtements des électrodes des feuilles de métal sans laisser de résidus. Les matériaux d’électrodes récupérés ont ensuite été régénérés à l’aide de procédés de recyclage direct, puis utilisés pour fabriquer de nouvelles batteries.
Ces batteries recyclées ont affiché des performances tout aussi bonnes que celles fabriquées à partir de matériaux d’électrodes récupérés sur des batteries utilisant un liant conventionnel contenant du fluor.
Les prochaines étapes consistent à augmenter la production du liant en vue d’une fabrication à l’échelle commerciale. Les chercheurs travaillent désormais à l’optimisation du liant pour différentes compositions chimiques de batteries afin d’améliorer leurs performances. Chen et son équipe prévoient de commercialiser le liant en collaboration avec des partenaires industriels.
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