Rincez et répétez : une nouvelle façon simple de recycler les piles est arrivée

Jul 25, 2023

Les batteries lithium-ion ont révolutionné l’électronique et permis une transition accélérée vers une énergie propre. Ces batteries font désormais partie intégrante de la vie au 21e siècle, mais nous risquons d'en manquer avant 2050. Les principaux éléments utilisés dans chaque batterie – le lithium, le nickel et le cobalt ainsi que le graphite – sont de plus en plus rares et coûteux. et il y a peu de surveillance environnementale ou de travail équitable sur certaines des chaînes d’approvisionnement internationales restantes.

Il est urgent de commencer à réutiliser les matériaux que nous avons déjà déterrés et de rendre le processus de production de batteries plus sûr et plus équitable pour tous. Une équipe de scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) a inventé un nouveau matériau de batterie primé qui peut cocher les deux cases. Leur produit, appelé Quick-Release Binder, permet de séparer de manière simple et abordable les matériaux précieux des batteries Li-ion des autres composants et de les récupérer pour les réutiliser dans une nouvelle batterie.

"Nous arrivons au point où le recyclage des batteries deviendra une obligation", a déclaré Gao Liu, chef de projet, scientifique principal dans le domaine des technologies énergétiques du Berkeley Lab et membre du Berkeley Lab Energy Storage Center. « Si nous n'arrêtons pas de les brûler et de les jeter à la poubelle, nous manquerons de ressources dans les dix prochaines années. Autrement, il est tout simplement impossible de suivre le nombre de batteries demandées par le marché. Il n'y a tout simplement pas assez de cobalt, pas assez de nickel – nous devons recycler. » Une batterie fabriquée avec un classeur à dégagement rapide doit simplement être ouverte, placée dans de l'eau alcaline à température ambiante et secouée doucement. Les éléments séparés sont facilement filtrés hors de l'eau et séchés à l'air.

Cela contraste fortement avec le recyclage actuel du Li-ion, qui consiste d'abord à déchiqueter et à broyer les batteries, puis à les brûler pour séparer les métaux des autres constituants. Les entreprises de recyclage visent à rendre leurs processus aussi efficaces que possible, mais en raison de la conception passée et actuelle de la plupart des batteries, la récupération des éléments reste gourmande en énergie, coûteuse et libère des produits chimiques toxiques qui doivent être soigneusement gérés.

Membres de l'équipe (dans le sens des aiguilles d'une montre en partant du haut à gauche) Robert Kostecki, directeur de division, Division du stockage d'énergie et des ressources distribuées ; Gao Liu, chercheur principal, Liu Lab ; Chen Fang, chercheur postdoctoral ; Muhammad Ihsan Ul Haq, chercheur postdoctoral (Crédit : Marilyn Sargent/Berkeley Lab)

Liu et son équipe du Berkeley Lab Energy Storage Center travaillaient sur des batteries lithium-soufre – l'une des alternatives possibles au Li-ion traditionnel en cours de développement – ​​lorsqu'ils ont créé le classeur à dégagement rapide. Les batteries au lithium-soufre sont un concept en vogue dans le monde de la recherche et du développement des batteries, car elles peuvent être fabriquées sans cobalt rare et ont une densité énergétique théorique plus élevée que le Li-ion ; mais de nombreux problèmes de fonctionnalité doivent être résolus avant que les batteries puissent être adoptées commercialement. Le classeur à dégagement rapide rendrait les batteries Li-S facilement recyclables et semble résoudre l'un des principaux problèmes de performances. Cette découverte est en soi assez passionnante, mais Chen Fang, chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Liu, s'est rendu compte que leur nouveau matériau liant avait un potentiel encore plus grand : il pourrait également être utilisé dans les batteries Li-ion d'aujourd'hui.

Les liants sont des substances semblables à de la colle utilisées dans la plupart des types de piles, y compris les piles Li-ion et les piles alcalines que nous utilisons dans les articles ménagers. Les batteries comportent deux électrodes – la cathode chargée positivement et l’anode chargée négativement – ​​constituées de produits chimiques conducteurs qui génèrent un courant électrique et de matériaux structurels qui maintiennent les ingrédients actifs en place pour des performances constantes et durables. Les liants, comme leur nom l’indique, lient ces ingrédients entre eux et aident à maintenir l’architecture de la batterie.

Le nouveau liant à libération rapide est fabriqué à partir de deux polymères disponibles dans le commerce, l'acide polyacrylique (PAA) et la polyéthylèneimine (PEI), qui sont reliés entre eux par une liaison entre des atomes d'azote chargés positivement dans le PEI et des atomes d'oxygène chargés négativement dans le PAA. Lorsque le liant solide est placé dans de l’eau alcaline contenant de l’hydroxyde de sodium (Na+OH–), l’ion sodium apparaît dans le site de liaison, brisant les deux polymères. Les polymères séparés se dissolvent dans le liquide, libérant ainsi tous les composants d'électrode intégrés.