Optimisation du circuit de recyclage des batteries

Alors que le monde se tourne vers les technologies vertes et les sources d'énergie renouvelables, la demande en batteries croît rapidement. Ceci vaut particulièrement vrai pour les batteries lithium-ion (Li-ion), qui alimentent une vaste gamme de composants, y compris les smartphones, les véhicules électriques (VE) et les systèmes de stockage d'énergie. Toutefois, cette dépendance croissante des batteries Li-ion nécessite une chaîne d'approvisionnement durable et une stratégie pour gérer les déchets qui en résultent, de plus en plus de batteries atteignant leur fin de vie.

Les batteries Li-ion peuvent être recyclées par trois méthodes principales : la pyrométallurgie, l'hydrométallurgie ou le recyclage direct, et certaines parties de ces process peuvent également être combinées. Dans la plupart des cas, ces techniques exigent des étapes de prétraitement avant qu'une batterie puisse être recyclée, pour procéder à la décharge ou l'inactivation, au désassemblage et à la séparation.

Une décharge électrique est réalisable lorsque l'énergie résiduelle de la batterie Li-ion peut être stockée de manière économique. Sinon, l'inactivation par immersion dans une solution aqueuse inerte est nécessaire pour éviter la combustion. Les batteries déchargées ou inactivées peuvent être démontées manuellement pour préserver leurs composants. Toutefois, ce process est chronophage et expose les travailleurs aux matières dangereuses. La méthode la plus simple pour le désassemblage consiste à déchiqueter ou concasser les batteries en petits fragments, ce qui est souvent réalisé sous vide ou dans une atmosphère inerte. Cela exclut toutefois la séparation intacte des collecteurs de courant et du boîtier de batteries, ce qui entraîne des coûts de recyclage downstream plus élevés.

Après prétraitement, les batteries Li-ion subissent un traitement supplémentaire pour extraire des métaux précieux tels que le lithium, le cobalt, le manganèse, le cuivre, le nickel et le fer.

Les procédés pyrométallurgiques nécessitent de soumettre les matériaux à des températures élevées dans un environnement inerte afin d'éviter la combustion. Ce process est simple, évolutif et efficace pour récupérer le cobalt, le manganèse, le cuivre, le nickel et le fer. Toutefois, il exige de grandes quantités d'énergie, résultant en un rendement plus faible du lithium extrait que d'autres techniques. Une pureté plus élevée des métaux récupérés peut être obtenue en combinant les process pyrométallurgiques et hydrométallurgiques.

L'hydrométallurgie s'appuie sur la dissolution aqueuse pour ioniser les matériaux actifs, ce qui fait que les métaux sont éliminés par lixiviation avec des acides, des alcalis ou des matériaux bioorganiques. Cette méthode offre une récupération précise, une pureté de produit plus élevée et une consommation d'énergie nettement inférieure à celle de la pyrométallurgie. Toutefois, l'utilisation de produits chimiques dangereux entraîne des risques pour la sécurité, tant pour le personnel que pour l'environnement. Par conséquent, une gestion rigoureuse des solutions de déchets et du captage des gaz toxiques est nécessaire pour atténuer ces risques.

Contrairement aux méthodes traditionnelles qui décomposent le matériau cathodique dans ses différents éléments, le recyclage direct ou « de cathode à cathode » se concentre sur la séparation et la rénovation du matériau utilisé. Cette approche sert à restaurer la capacité des batteries Li-ion.

Le recyclage direct nécessite moins d'étapes de prétraitement et de solvants chimiques que la pyrométallurgie et l'hydrométallurgie. Cette méthode donne des produits d'une plus grande pureté, réduisant la demande en matériaux extraits et contribuant à une économie circulaire de batterie plus durable. Un frein important au recyclage direct est sa dépendance à l'égard d'un seul type cathodique. En raison du manque de standardisation dans la conception des batteries et la composition chimique des cellules, la séparation méticuleuse des composants est essentielle pour la mise en œuvre réussie du processus.

La biolixiviation est une méthode de recyclage émergente, mais sa viabilité à grande échelle demeure incertaine. Dans ce process, les minéraux de batterie spécifiques sont récupérés à l'aide de bactéries. La biolixiviation a été utilisée avec succès dans l'industrie minière et peut servir de procédé complémentaire à l'hydrométallurgie et la pyrométallurgie.

Le démontage robotisé des batteries usagées est une technologie qui évolue rapidement et avec un potentiel prometteur. Cette méthode automatise le process de désassemblage des batteries pour accroître l'efficacité et réduire les risques d'exposition humaine aux matériaux de batteries toxiques. Malgré des progrès significatifs, le démontage robotisé des batteries usagées fait encore face à des problèmes posés par les différentes constructions des batteries et les composants non standard, comme le câblage flexible situé à différents endroits d'une batterie à l'autre. Les algorithmes avancés permettant une configuration adaptative et intelligente sont essentiels pour répondre à ces complexités. L'optimisation de l'automatisation est nécessaire pour résoudre ces problèmes et d'autres difficultés de démontage complexes, sachant que les besoins en recyclage de batterie continuent de croître.

Des techniques de démontage plus efficaces et la capacité de récupérer des composants entiers réduisent le besoin en nouveaux matériaux pour construire de nouvelles batteries. Cela réduit ensuite l'empreinte carbone de la fabrication de la batterie tout en augmentant la capacité globale de la chaîne d'approvisionnement de la batterie.

Même si ces process de recyclage des batteries sont efficaces pour récupérer les minéraux des batteries Li-ion, les préoccupations en matière d'environnement et de sécurité demeurent. Par exemple, les process chimiques utilisés dans le recyclage hydrométallurgique impliquent l'utilisation d'acides, de solvants forts, de produits chimiques toxiques et d'autres substances potentiellement dangereuses. Ils doivent être soigneusement gérés pour prévenir les dommages sur l'homme ou la pollution de l'environnement. En outre, certaines méthodes de recyclage mécanique et chimique exigent des températures et une consommation d'énergie élevées. Cela contribue à l'empreinte carbone globale du process de recyclage, suscitant des inquiétudes quant à sa viabilité nette.

En outre, la plupart des batteries au lithium-ion sont classées comme déchets dangereux en fin de vie pour plusieurs raisons liées à leur composition chimique, le risque d'incendie et l'impact environnemental négatif. La sécurité du personnel est primordiale lors du démontage et du traitement des batteries. L'exposition à des matériaux toxiques et le risque d'incendie ou d'explosion nécessitent de respecter des protocoles de sécurité rigoureux. Aborder ces défis est essentiel pour rendre le recyclage des batteries plus efficace, plus sûr, respectueux de l'environnement et économiquement viable à long terme.

La réalisation d'une économie de batterie circulaire nécessite une récupération presque complète des matériaux actifs, des plastiques et des feuilles métalliques utilisés dans la construction de batteries. Cela va au-delà du recyclage traditionnel et exige de repenser la conception, l'usage et l'élimination des batteries. Une gestion durable des batteries est essentielle pour établir un système en circuit fermé et maximiser sa requalification ou son recyclage.

Une approche est les applications de seconde vie, où les batteries utilisées sont requalifiées pour des applications moins exigeantes, comme les systèmes de stockage d'énergie pour les énergies renouvelables. Cela prolonge la durée de vie de la batterie et réduit la nécessité de nouvelles batteries, réduisant ainsi la demande en minéraux traités.

Les politique et réglementations jouent également un rôle crucial dans le circuit de la batterie. Les gouvernements et les organismes de réglementation doivent établir des normes et des mesures d'aide pour encourager l'élimination correcte des batteries, le recyclage et l'utilisation de matériaux recyclés dans de nouvelles batteries. L'élaboration de lois raisonnables requiert une collaboration entre décideurs politiques, acteurs de l'industrie et utilisateurs finaux pour favoriser un écosystème durable des batteries.

Les batteries de voiture électrique, principalement Li-ion, peuvent être recyclées à l'aide des process décrits. Toutefois, la grande taille, le poids et la complexité des batteries VE multiplient les défis de la récupération efficace des minéraux.

Malgré les difficultés en termes de capacité, l'efficacité du recyclage des batteries VE s'améliore rapidement en raison des innovations mentionnées précédemment. Le recyclage des batteries à grande échelle devient une zone de recherche de plus en plus importante en raison du nombre croissant de batteries nécessitant un recyclage futur. Ce chiffre augmente proportionnellement au nombre record de véhicules VE présents sur les routes et à la prolifération des systèmes de stockage d'énergie à batterie.

Les usines de recyclage de batteries Li-ion récupèrent des matériaux précieux issus des batteries usagées et les transforment en poudre. Ces installations sont de plus en plus courantes pour une réutilisation dans de nouvelles batteries. Elles réduisent le « black mass », cette poudre noire obtenue depuis les batteries usagées, dans ses éléments constitutifs pour une récupération minérale accrue. Cela est généralement obtenu par un traitement thermique à haute intensité, comme la fusion ou la torréfaction (pyrométallurgie), ou par lixiviation chimique (hydrométallurgie). Même si le traitement thermique est plus simple, il fournit des composants d'une pureté inférieure à ceux obtenus par lixiviation. Par conséquent, la combinaison des deux méthodes est souvent utilisée afin de tirer profit des avantages de chacune.

Les usines de recyclage de batteries Li-ion en poudre démontrent le potentiel des technologies de recyclage avancées pour fermer le circuit de la chaîne d'approvisionnement de la batterie. La récupération des matériaux de haute pureté sous forme réutilisable permet de réduire le besoin en matériaux extraits et d'atténuer l'impact environnemental de la production de batteries.

Le recyclage des batteries est essentiel pour la gestion durable des ressources dans un monde de plus en plus dépendant des sources d'énergie non fossiles. Bien que les process et les technologies correspondantes évoluent rapidement, les difficultés persistent. Toutefois, grâce à l'innovation continue et à la coopération, l'industrie se rapproche de la réalisation de systèmes en circuit fermé qui optimisent la valeur des batteries usagées. En attendant, cette approche minimise l'impact environnemental de la nouvelle production de batteries.