Recyclage des batteries au lithium et émissions de GES

Les batteries lithium-ion (LIB) sont désormais utilisées dans les téléphones portables, les ordinateurs portables et les véhicules électriques (EV) en raison de leur haute énergie par unité de masse par rapport à d'autres systèmes de stockage d'énergie électrique. Elles ont également un rapport puissance/poids élevé, une efficacité énergétique, des performances à haute température et une faible autodécharge. La plupart des véhicules entièrement électriques d'aujourd'hui et des véhicules électriques hybrides rechargeables (PHEV) utilisent des batteries lithium-ion. La chimie exacte de ces batteries varie souvent de celles utilisées pour l'électronique grand public. Les défis actuels auxquels cette industrie est confrontée tournent autour de la réduction de leur coût relativement élevé (en raison de l'offre limitée), de l'extension de leur durée de vie et de la prise en compte des préoccupations de sécurité concernant la surchauffe pouvant entraîner des explosions. Par conséquent, de nouvelles solutions sont nécessaires pour le recyclage et la réutilisation des matériaux utilisés dans les LIB. La plupart des composants des LIB peuvent être recyclés, mais le coût de la récupération des matériaux reste un défi pour l'industrie. Par conséquent, de nouvelles solutions sont nécessaires.

Les applications des LIB sont souvent étiquetées comme « zéro émission ». Cependant, cela ignore les émissions de la chaîne d'approvisionnement générées lors des étapes de procurement et de production. Les LIB sont l'un des principaux contributeurs aux émissions de gaz à effet de serre (GES) lors de la fabrication des EV. Dans ce cas, le recyclage des LIB est recommandé pour réduire la consommation d'énergie, atténuer les émissions de GES et entraîner des économies considérables de déchets. De plus, la production accélérée de LIB dans le cadre des technologies d'énergie propre a entraîné une forte demande de minéraux tels que le lithium (Li), le cobalt (Co) et le manganèse (Mn). Les LIB usagés pourraient être considérés comme la source secondaire de ces minéraux. Trouver un moyen écologiquement durable de récupérer ces minéraux à partir des déchets est crucial. La popularité croissante des EV a entraîné une augmentation de la demande de batteries lithium-ion utilisées pour alimenter ces véhicules. Aux États-Unis, on s'attend à ce que les EV passent de 5 % à 25 % de toutes les voitures vendues d'ici 2030. À mesure que le nombre d'EV sur la route continue de croître, le besoin de recyclage efficace et efficace de leurs batteries augmente également.

Le recyclage des LIB peut aider à réduire les émissions de GES en réduisant l'énergie nécessaire pour produire de nouvelles batteries et en empêchant les matériaux dangereux d'entrer dans l'environnement. Cet article discutera de la manière dont le recyclage des batteries peut aider à réduire les émissions de GES et quelles étapes peuvent être prises pour garantir que ces batteries sont recyclées correctement.

La production de LIB nécessite une quantité significative d'énergie, généralement générée par la combustion de combustibles fossiles tels que le charbon ou le gaz naturel. Ce processus libère de grandes quantités de GES dans l'atmosphère, contribuant au changement climatique. En recyclant les batteries au lieu de produire de nouvelles, nous pouvons réduire l'énergie nécessaire à la production et ainsi réduire les émissions de GES. Le recyclage des LIB aide à empêcher les matériaux dangereux tels que le plomb et le cadmium d'entrer dans l'environnement. Ces matériaux peuvent être toxiques s'ils sont libérés dans les systèmes d'eau ou de sol, ils doivent donc être recyclés correctement. Plusieurs étapes peuvent être prises pour recycler correctement et efficacement les batteries EV. Tout d'abord, les fabricants devraient concevoir leurs produits en tenant compte de la recyclabilité en utilisant des matériaux faciles à séparer et à recycler. Cela facilitera le travail des recycleurs pour traiter les matériaux sans utiliser d'énergie ou de ressources supplémentaires. De plus, les fabricants devraient fournir des instructions claires sur la manière dont les consommateurs doivent se débarrasser de leurs batteries EV usagées afin qu'elles puissent être recyclées de manière appropriée.

Distinction fondamentale : Remanufacturation vs. Recyclage

Il est essentiel de distinguer ces deux voies de fin de vie, car elles interviennent à différentes étapes du cycle de vie de la batterie.

Remanufacturation (Rénovation & Réutilisation) : Cela se produit au niveau du pack ou du module. Au lieu de détruire la batterie pour récolter des matières premières, le pack de batteries est démonté et les cellules ou modules défectueux sont remplacés. La batterie est rééquilibrée et l'électronique de contrôle est mise à jour. Le résultat est un pack de batteries fonctionnel prêt pour une « seconde vie » (souvent dans le stockage d'énergie stationnaire), reportant le besoin de recyclage des matériaux.

Recyclage : Cela se produit au niveau des matériaux lorsque la batterie a atteint sa fin de vie absolue. L'objectif est d'extraire des matières premières (extraction) ou de restaurer des matériaux actifs (recyclage direct) pour fabriquer de nouvelles cellules de batterie.

Il existe 3 méthodes de recyclage des LIB : pyrométallurgie, hydrométallurgie, et méthodes de recyclage physique directes des batteries EV. Les émissions de carbone de pyrométallurgie, hydrométallurgie, et méthodes de recyclage physique directes sont calculées dans plusieurs études.

Processus de recyclage pyrométallurgique : La batterie est broyée et fondue à haute température (>1000°C). Cela récupère des alliages métalliques (Nickel, Cobalt) mais brûle des plastiques et du graphite.

L'émission de carbone du processus de recyclage pyrométallurgique est de 5,11 kg CO₂-eq/kWh.
Le processus implique la fusion à haute température des batteries avec une température de plus de 1000 °C.
Les émissions de GES résultent de l'énergie fossile consommée dans le processus métallurgique.
Le graphite dans l'anode ne peut pas être recyclé par pyrométallurgie, et la pyrolyse du graphite dans un environnement à haute température produira des émissions de GES.
Haute valeur économique, mais faible valeur écologique.

Processus de recyclage hydrométallurgique : La batterie est broyée en « masse noire » et dissoute dans des solutions acides pour séparer les métaux. Cela récupère des matières premières spécifiques comme le Nickel, le Cobalt et le Carbonate de Lithium.

Les émissions de GES de l'hydrométallurgie sont de 2,68 kg CO₂-eq/kWh, ce qui est 47,6 % inférieur à celles de la pyrométallurgie.
L'hydrométallurgie effectue 10 étapes majeures de traitement chimique dans des conditions de basse température, sans consommation d'énergie élevée et processus d'émission de carbone élevée.
Cependant, le processus génère un nombre considérable de gaz toxiques et de solutions de déchets.

Recyclage physique direct (méthode d'injection) : Une technologie émergente distincte de l'extraction traditionnelle. Au lieu de décomposer le matériau cathodique jusqu'aux atomes, la structure cristalline est préservée. Du lithium frais est « injecté » (relithiation) ou la surface est recuite pour restaurer les performances électrochimiques. De la poudre cathodique « de qualité batterie » prête à être réutilisée dans une nouvelle batterie immédiatement, contournant le besoin de resynthétiser la structure cristalline.

L'émission de carbone de la méthode de recyclage physique direct est de 3,65 kg CO₂-eq/kWh.
Étant donné que les produits du recyclage physique direct sont des matériaux pouvant être directement utilisés dans la production de batteries, les étapes compliquées de reproduction des matériaux et la pollution secondaire sont réduites.
Le matériau riche en nickel utilisé dans le processus de réparation, tel que Ni_0.83Mn_0.09Co_0.08(OH)₂, Ni(OH)₂, ou des composés de lithium tels que LiOH–Li₂SO₄ utilisés dans le processus de traitement thermique, et la consommation d'énergie sont les principales sources d'émission de carbone.

Comparaison de la réduction des émissions de GES par rapport aux batteries non recyclées

Bien que le processus de recyclage des LIB produise des émissions de carbone, les matériaux recyclés peuvent être directement utilisés pour fabriquer des batteries, évitant ainsi les émissions de carbone causées par l'extraction et le raffinage des matières premières. Par conséquent, les ingénieurs estiment la quantité de réduction des émissions de GES des LIB par rapport aux batteries vierges.

Les émissions de GES de la remanufacturation de batteries avec des matériaux recyclés par

La pyrométallurgie est de 86,86 kg CO₂-eq/kWh, ce qui est 4,8 % inférieur à celle des batteries produites avec des matières premières.
L'hydrométallurgie est de 60,77 kg CO₂-eq/kWh, ce qui est 33,47 % inférieur à celle des batteries produites avec des matières premières.
Le recyclage physique direct est de 43,92 kg CO₂-eq/kWh, ce qui est 51,8 % inférieur à celui utilisant des matières premières. Cependant, la méthode de recyclage physique n'est pas mature sur le plan technologique et est encore au stade des expériences à petite échelle. Développer des méthodes de recyclage physique efficaces et matures pour des applications à grande échelle est crucial pour réduire les émissions de carbone.