Recyclage des piles : comment récupérer plus de 95% d'une pile au lithium ?

Le recyclage des batteries lithium-ion est essentiel pour la durabilité : une fois qu'elles ont atteint la fin de leur vie utile, elles doivent être éliminées correctement. En ce sens, certains aspects techniques doivent être pris en compte pour donner une "seconde vie" à ce type de dispositif de stockage. Nous examinerons ci-dessous les questions clés, depuis la différence entre le traitement physique et chimique jusqu'aux différentes phases généralement impliquées dans la réutilisation des piles.

Procédés de recyclage pour la récupération des piles : traitement physique et chimique

Le recyclage des piles au lithium fait appel à différents procédés pour récupérer les composants de la pile et réduire la quantité de déchets. Il existe deux grands types de procédés : physiques et chimiques.

1. les processus physiques

Les procédés physiques constituent un élément fondamental du recyclage des piles au lithium, car ils sont responsables du prétraitement des composants de la pile avant la mise en œuvre des procédés chimiques. Ces procédés physiques reposent sur l'utilisation de différentes caractéristiques physiques des matériaux présents dans la batterie, telles que la densité, les propriétés magnétiques et la solubilité, afin de séparer les matériaux de la cathode et de l'anode des autres composants tels que les collecteurs de courant et les électrolytes.

L'un des processus physiques les plus courants est le démontage de la batterie, qui consiste à séparer les différents composants de la batterie, tels que le boîtier, l'électrolyte et les collecteurs de courant. Une fois séparés, les composants sont broyés et subissent un processus de séparation dans lequel les techniques de flottation, de séparation magnétique et de séparation par densité sont utilisées pour séparer les différents matériaux présents dans la batterie.

Au cours du processus de séparation, les matériaux de la batterie sont triés en différentes fractions en fonction de leurs propriétés physiques. Par exemple, les matériaux du boîtier peuvent être séparés par séparation magnétique, car ils sont attirés par un aimant, tandis que les matériaux plus lourds tels que les collecteurs de courant sont séparés en fonction de leur densité.

2. Procédés chimiques

Les processus chimiques de recyclage des piles au lithium sont basés sur l'extraction des composants actifs de la pile grâce à l'utilisation de solvants, de réactifs et d'acides qui permettent de séparer les différents métaux présents dans la pile, tels que le lithium, le cobalt, le nickel, le manganèse, entre autres.

Les procédés hydrométallurgiques sont les plus utilisés pour le recyclage des piles au lithium en raison de leur sélectivité dans la récupération des métaux et de la réduction des émissions de gaz toxiques par rapport aux procédés pyrométallurgiques. Dans le cadre des procédés hydrométallurgiques, différentes techniques sont utilisées pour récupérer les matériaux des piles au lithium. Il s'agit notamment de la lixiviation acide, de l'extraction par solvant, de l'extraction électrolytique et de la précipitation chimique.

Les procédés pyrométallurgiques sont l'une des formes les plus courantes de traitement chimique pour le recyclage des piles au lithium. Dans ce processus, les composants métalliques de la batterie sont récupérés par fusion à des températures élevées (généralement entre 800 et 1300°C), ce qui permet aux différents métaux de fondre et de se séparer. Les métaux sont récupérés sous forme d'alliages, tels que le cuivre, le cobalt, le nickel et le fer, qui peuvent ensuite être raffinés en composants métalliques de haute pureté.

Ce procédé présente l'avantage d'être relativement simple et productif pour la récupération des matériaux métalliques, mais ne convient pas pour la récupération des matériaux organiques. En outre, les scories résultant du processus peuvent contenir divers composants, y compris des métaux et d'autres matériaux, ce qui peut rendre difficile leur élimination correcte. 

Fig. A Processus et schémas de recyclage ^[1]

Les sept procédés de recyclage des piles au lithium

Afin de recycler les piles au lithium de manière efficace et rentable, nous proposons 7 étapes clés adaptées à la complexité des piles et aux stratégies de recyclage de chaque usine. 

• PrésélectionÉvaluation des piles : ce processus consiste à procéder à une évaluation initiale des piles afin de déterminer leur état, leur taille et leur type. Il vérifie également si les piles sont défectueuses ou endommagées et ne conviennent pas au recyclage.
• Récupération d'énergieLes piles ou batteries au lithium contiennent de l'énergie et il est important d'extraire cette énergie en toute sécurité avant de traiter la batterie en vue de son recyclage. Ce processus permet d'éliminer les liquides et les gaz dangereux susceptibles d'être libérés lors de la manipulation de la pile.

• DémontageDémantèlement : dans ce processus, la batterie est démontée pour séparer ses composants et ses pièces. La plupart des piles au lithium sont démontées manuellement, mais certains processus automatisés sont également en cours de développement.
• DécontaminationLes piles au lithium contiennent des produits chimiques dangereux, tels que des acides et des métaux lourds, qui doivent être traités avec soin pour éviter leur rejet dans l'environnement. Au cours de ce processus, les matériaux contaminants sont éliminés et les pièces des piles sont décontaminées. Il comprend un traitement cryogénique, autour de -200°C, qui empêche les réactions exothermiques au cours des dernières étapes du processus de recyclage et/ou des traitements thermiques de pyrolyse et de calcination pour éliminer les composants organiques et inflammables.
• LibérationUne fois la batterie démontée et décontaminée, ses composants sont séparés. Ce processus peut impliquer l'écrasement ou le broyage de la batterie en petits morceaux pour faciliter la séparation.
• SéparationSéparation : dans ce processus, les matériaux qui composent la batterie, tels que le cobalt, le nickel, le lithium et le fer, sont séparés. Des procédés physiques et chimiques sont utilisés pour séparer les matériaux et les purifier en vue d'une utilisation ultérieure.
• Raffinage métallurgiqueUne fois les matériaux séparés, ils sont raffinés. Cette technique peut être thermique (procédés pyrométallurgiques), chimique (procédés hydrométallurgiques) ou même biologique (procédés biométallurgiques).

Récupération des matériaux de la batterie au lithium

Si l'on compare les deux procédés de recyclage des piles au lithium, pyrométallurgique et hydrométallurgique, quels sont les avantages de chacun ?

• Les méthodes pyrométallurgiques sont plus coûteuses en termes d'énergie et de matériaux, mais elles produisent des métaux qui peuvent être vendus. 
• Les méthodes hydrométallurgiques permettent d'obtenir des matériaux de haute qualité qui peuvent être réutilisés dans de nouvelles piles, ce qui les rend potentiellement plus efficaces, mais elles sont plus complexes et nécessitent davantage d'étapes et de produits chimiques.

Cependant, les méthodes hydrométallurgiques présentent un avantage significatif en termes de récupération des métaux. Elles peuvent récupérer jusqu'à 100% de lithium et de cobalt, 98% de manganèse et 75% d'aluminium sous la forme de matériaux cathodiques/anodiques prêts à être utilisés dans de nouvelles batteries. Toutefois, cela dépend de la rentabilité du processus de recyclage en termes de coûts et de revenus.

Fig. B : Exemple de diagramme des procédés pyrométallurgiques et hydrométallurgiques pour le recyclage des piles NiMH, LMO et LCO. ^[2]

Le tableau ci-dessous présente plusieurs exemples de métaux et de produits qui peuvent être récupérés à partir des piles au lithium en fin de vie grâce à différents processus de recyclage. Le tableau indique également la pureté qui peut être obtenue à partir de chacun d'entre eux, qui varie de 90% à 100%.

Fig. C : Résumé des métaux et des produits chimiques obtenus grâce au recyclage des Libs usagés ^[3]

Le tableau indique qu'il est possible de récupérer à la fois des métaux purs (cobalt, nickel, cuivre) et des produits utilisables pour produire de nouveaux matériaux de cathode (carbonates, sulfates et hydroxydes de divers métaux) à partir des cathodes usagées de différents types de piles au lithium, tels que LCO (LiCoO2), LFP (LiFePO4), LMO (LiMn2O4), NMC (LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2) et NCA (LiNi0,8Co0,15Al0,05O2), par le biais de processus physicochimiques.

Le processus de recyclage du futur

Le processus de recyclage actuellement utilisé pour les piles au lithium consiste à obtenir les éléments et composés de base pour la création de nouveaux matériaux actifs à partir d'une "masse noire". Cette masse noire est une boue de matériaux de cathode et d'anode qui doit encore être raffinée, ce qui entraîne un gaspillage d'énergie et d'autres matériaux.

Fig. D : Processus de recyclage réel ^[1]

Afin d'améliorer l'efficacité, l'objectif est de passer à un processus de "recyclage direct". Il s'agit de recycler directement et le plus possible les matériaux actifs, en évitant la transformation en masse noire et la nécessité d'affiner et de resynthétiser les matériaux de la cathode et de l'anode. Ce processus implique également la mise en place de systèmes de collecte basés sur l'état de santé des modules et des cellules, ce qui facilite et accélère la phase de tri.

En outre, la conception mécanique des piles tiendra compte du démontage qui aura lieu à la fin de leur vie, ce qui facilitera le démontage dans le cadre du processus de recyclage. Les matériaux actifs seront récupérés et régénérés dans la mesure du possible, et seule la partie non régénérable sera transformée en composants primaires. 

Par rapport au processus actuel, le recyclage direct se traduit par une plus grande efficacité énergétique et une réduction significative des déchets. Les matériaux régénérés peuvent être réutilisés dans le nouveau cycle de production de cellules, ce qui permet de recommencer le cycle.

Fig. E : Futur processus de recyclage ^[1]

Pour obtenir une récupération optimale dans le processus de recyclage, il est important de sélectionner avec précision les matériaux à recycler et leur chimie spécifique. Pour ce faire, la traçabilité des cellules doit être améliorée grâce à des technologies telles que les étiquettes et la RFID, qui identifient de manière unique leur composition et leur état de vie. Cependant, le processus de recyclage est confronté à la baisse constante du coût des cellules, ce qui nécessite des processus de recyclage plus pratiques et plus efficaces.

Actuellement, il existe différents processus de recyclage spécialisés dans un type de batterie afin d'obtenir des rendements élevés. 

• Les processus Umicore et Sumitomo-Sony permettent d'utiliser des produits qui peuvent être mélangés à des matériaux vierges pour être utilisés dans de nouvelles batteries sans sacrifier leur qualité finale.
• Le processus de Recupyl en plus du cobalt, permet de récupérer des cathodes LiFePO ₄ et électrolyte LiPF ₆
• Processus Umicore-Valéas et Sumitomo-Sony les électrolytes, les plastiques, les matières organiques, les métaux et le graphite ne sont pas récupérés pour un usage direct mais sont partiellement utilisés comme sous-produits pour l'industrie de la construction, ce qui dévalorise leur valeur.

Actuellement, le recyclage des piles LiFePO 4 et LiMn 2 O 4 est limité en raison de leur faible valeur marchande, mais ces produits chimiques sont de plus en plus utilisés dans l'industrie de l'énergie. Avec l'augmentation de la production de piles LiFePO 4, on s'attend à ce que le recyclage augmente et que les coûts diminuent. En outre, ce type de batterie est plus sûr que d'autres matériaux et son utilisation devrait se développer à l'avenir.

Fig. F : Prévisions des parts de marché de la chimie des batteries, 2015 - 2030 ^[4]

La pile au lithium Second Life : une solution combinée au recyclage à ne pas sous-estimer.

De plus en plus d'études évoquent la possibilité de donner une seconde vie aux batteries au lithium en fin de vie des véhicules électriques. Cette solution consiste à récupérer et à réutiliser la batterie usagée à d'autres fins, comme le stockage d'énergie, avant de la recycler. 

La réutilisation prolonge la durée de vie globale de la pile et réduit l'impact environnemental de la production, du recyclage et de l'élimination. Selon le type d'utilisation, la seconde vie d'une pile peut même durer plus de 10 ans. 

En général, la pratique de la seconde vie peut prolonger la durée de vie globale de la batterie et réduire son impact sur l'environnement, mais sa faisabilité dépend de l'application spécifique et de l'uniformité des batteries sur le marché.

Dans le secteur automobile, les batteries sont produites en grandes quantités et sont plus uniformes, ce qui facilite la réutilisation des batteries en fin de vie à d'autres fins. 

Batteries au lithium NCPOWER ? De plus en plus attentif à la question du recyclage et de la durabilité

Chez NCPOWER, nous mettons l'accent sur la durabilité dans tous les aspects de notre vision d'entreprise, de l'efficacité énergétique de notre usine à la conception de nos batteries. 

Le département de recherche et développement est au cœur de cette stratégie, non seulement pour anticiper les besoins des clients avec des produits innovants, mais aussi pour trouver des solutions plus respectueuses de l'environnement. 

NCPOWER utilise la chimie LFP dans ses batteries, qui est sûre, stable et totalement exempte de cobalt, un matériau qui a un impact environnemental élevé. En outre, le département R&D étudie activement des processus de production et des matériaux plus éco-durables afin d'optimiser les différentes étapes de production et la conception des batteries.

Nous savons qu'il reste un long chemin à parcourir, mais NCPOWER est convaincu que l'investissement dans des matériaux et des compétences axés sur l'efficacité et la durabilité peut apporter une grande contribution sur la voie d'une société verte. 

Bibliographie

^{[1] https://battery2030.eu/wp-content/uploads/2022/07/BATTERY-2030-Roadmap_Revision_FINAL.pdf}

^{[2] https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/cs /c8cs00297e/}

^{[3] https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2018.07.116}

^{[4] Service de stockage d'énergie de Wood Mackenzie}