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

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

Il est urgent de commencer à réutiliser les matériaux que nous avons déjà extraits et de rendre le processus de production des 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 vérifier les deux cases. Leur produit, appelé Quick-Release Binder, permet de séparer de manière simple et abordable les précieux matériaux 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 sera une exigence", a déclaré le chef de projet Gao Liu, scientifique principal dans le domaine des technologies énergétiques de 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. Il est tout simplement impossible de suivre le nombre de batteries que le marché exige autrement. Il n'y a tout simplement pas assez de cobalt , pas assez de nickel - nous devons recycler."Une batterie fabriquée avec Quick-Release Binder 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.

C'est un contraste frappant avec le recyclage Li-ion actuel, 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 est encore énergivore, coûteuse et libère des produits chimiques toxiques qui doivent être gérés avec soin.

Membres de l'équipe (dans le sens des aiguilles d'une montre à partir du haut à gauche) Robert Kostecki, directeur de division, Division du stockage de l'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 Quick-Release Binder. 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 d'énergie théorique plus élevée que le Li-ion ; mais il y a beaucoup de problèmes de fonctionnalité qui doivent être résolus avant que les batteries puissent être adoptées commercialement. Le liant Quick-Release rendrait les batteries Li-S facilement recyclables et semble résoudre l'un des principaux problèmes de performances. Cette découverte est assez excitante en soi, 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 ressemblant à de la colle utilisées dans la plupart des types de batteries, y compris les batteries Li-ion et les piles alcalines que nous utilisons dans les articles ménagers. Les batteries ont 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 ensemble et aident à maintenir l'architecture de la batterie.

Le nouveau liant à libération rapide est composé de deux polymères disponibles dans le commerce, l'acide polyacrylique (PAA) et la polyéthylèneimine (PEI), qui sont reliés par une liaison entre les atomes d'azote chargés positivement dans le PEI et les atomes d'oxygène chargés négativement dans le PAA. Lorsque le matériau 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 tous les composants d'électrode intégrés à l'intérieur.

Le liant peut être utilisé pour fabriquer des anodes et des cathodes et coûte environ un dixième du prix de deux des liants commerciaux les plus couramment utilisés. "[Dans nos recherches récentes], nous avons démontré que l'ensemble du processus est très simple à l'échelle du laboratoire et nous ne voyons aucune raison pour laquelle cela ne fonctionnera pas aussi bien à l'échelle industrielle", a déclaré Fang. Il a ajouté que l'équipe pense que le matériau peut être utilisé pour des batteries de toutes tailles, des plus petites dans les téléphones portables aux très grandes batteries déployées pour stocker l'énergie de secours sur le réseau électrique national.

Fin septembre, la technologie a été reconnue par les R&D 100 Awards comme l'une des 100 meilleures technologies révolutionnaires développées dans le monde en 2022.

L'équipe travaille maintenant avec Steve Sloop, un développeur de recyclage de batteries et fondateur d'OnTo Technologies, pour terminer les tests du produit et le mettre sur le marché. Les expériences passées ont démontré que le liant est très stable à haute et basse tension, et ils prévoient maintenant de construire des prototypes de batteries Li-ion avec le liant pour analyser ses performances de manière exhaustive et mettre en valeur ses fonctionnalités.

Si ces tests se passent bien, les scientifiques prévoient une transition en douceur vers la fabrication commerciale. "Il n'y a aucun obstacle fondamental à l'adaptation du processus de fabrication actuel pour utiliser le liant car cela simplifiera en fait la fabrication pour la même raison que cela simplifie le recyclage - vous pouvez utiliser de l'eau au lieu de solvants agressifs", a déclaré Chen. Pour fabriquer de nouvelles batteries, les fabricants traitent des liants avec des solvants chimiques pour créer une suspension contenant tous les composants d'électrode, qui est ensuite déposée dans la forme et l'épaisseur souhaitées sur des feuilles d'électrode. "Cela signifie que les fabricants actuels doivent mettre en place des instruments ou des installations supplémentaires pour protéger les travailleurs des vapeurs de solvants toxiques et pour gérer l'élimination sûre du solvant." Le classeur à dégagement rapide éliminerait ces étapes.

Selon Sloop, le Quick-Release Binder représente un changement de paradigme dans la conception des batteries. Au lieu de concevoir des batteries avancées et d'essayer de créer un processus de recyclage après coup, l'équipe de Liu a été la première à "concevoir pour le recyclage".

"Le classeur a une grande caractéristique qu'il peut être" décompressé "avec un traitement peu coûteux et respectueux de l'environnement, ce qui nous profite tous en améliorant la durabilité économique et environnementale des systèmes de batterie avancés", a déclaré Sloop. "C'est également une grande réussite que les batteries ne contiennent pas de substances perfluoroalkyles et polyfluoroalkyles (PFAS) - la famille de composés utilisés pour fabriquer des revêtements antiadhésifs et de nombreux autres produits, mais c'est extrêmement important pour l'avenir. Les clients ne veulent pas qu'ils soient dus le lien émergent avec les problèmes de santé, et je pense que bientôt les régulateurs conviendront que nous ne pouvons pas continuer à utiliser ces produits chimiques."

Tournés vers l'avenir, Liu et Sloop rencontrent des fabricants de batteries et de liants pour discuter de la commercialisation. Ils espèrent obtenir une licence pour la technologie Quick-Release afin qu'elle puisse être utilisée dans toutes les grandes marques Li-ion. Un jour, l'invention de l'équipe pourrait se trouver dans toutes les batteries sous nos toits et sous nos capots - laissant les métaux de terres rares restants rester sous le sol.

Le développement du classeur à dégagement rapide a été soutenu par l'Office de l'efficacité énergétique et des énergies renouvelables du ministère de l'Énergie et OnTo Technologies. La technologie est maintenant disponible pour une licence en contactant [email protected]

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Fondé en 1931 sur la conviction que les plus grands défis scientifiques sont mieux relevés par des équipes, le Lawrence Berkeley National Laboratory et ses scientifiques ont été récompensés par 16 prix Nobel. Aujourd'hui, les chercheurs du Berkeley Lab développent des solutions énergétiques et environnementales durables, créent de nouveaux matériaux utiles, repoussent les frontières de l'informatique et sondent les mystères de la vie, de la matière et de l'univers. Des scientifiques du monde entier comptent sur les installations du laboratoire pour leur propre découverte scientifique. Berkeley Lab est un laboratoire national multiprogramme, géré par l'Université de Californie pour le Bureau des sciences du Département américain de l'énergie.