Les batteries lithium-ion (LIB) sont présentes dans presque tous nos appareils électriques et constituent un important fournisseur d'énergie pour l'e-mobilité. Cependant, différents processus de vieillissement réduisent les performances d'une batterie au cours de sa période d'utilisation. Les LIB contiennent de nombreuses matières premières importantes. Outre le lithium, qui donne son nom à la batterie, elle contient des métaux comme le cuivre, le nickel, le cobalt, l'aluminium et le graphite. Ce dernier est le matériau de l'anode, qui représente 15 à 25 % du poids total de la batterie. Il est appliqué sur une feuille de cuivre et oblige les ions de lithium à trouver une place fixe dans la structure en grille du matériau lors de la charge.

Cela présente les avantages suivants : une plus grande stabilité des cycles, de meilleures performances lors d'une charge rapide et une plus grande constance de la qualité par rapport à d'autres types de batteries comme les batteries au plomb. Plus le graphite est pur, plus ce mécanisme fonctionne bien. Le graphite synthétique, produit par un procédé à base de coke qui consomme beaucoup d'énergie, remplit particulièrement bien cette fonction grâce à ses propriétés optimisées et adaptables. Or, le graphite naturel (extrait de minerais) et le graphite synthétique pour anodes proviennent tous deux en grande partie de Chine et ont une empreinte écologique significative. Le recyclage est donc indispensable pour récupérer les matières premières tout en minimisant la dépendance vis-à-vis de la Chine. Actuellement, environ 100 kilotonnes de piles usagées sont recyclées chaque année en Europe.

Nettoyage et réutilisation du graphite

Pour récupérer le graphite des piles usagées, les piles sont d'abord déchiquetées - il reste ce qu'on appelle la masse noire. Le graphite est extrait de cette poudre fine par flottation à la mousse. Le processus est basé sur l'hydrophobation sélective, c'est-à-dire la propriété hydrophobe des minéraux et l'adhérence de ces particules aux bulles de gaz, qui sont ensuite évacuées par une mousse. Le concentré qui en résulte est purifié.

Des acides inorganiques, comme l'acide fluorhydrique, sont souvent utilisés à cet effet, ce qui peut entraîner des dommages environnementaux. Dans le cas présent, l'entreprise australienne EcoGraf a nettoyé les particules de graphite à l'aide d'un procédé écologique qui ne nécessite pas d'acide fluorhydrique hautement toxique.

Les chercheurs des instituts Helmholtz d'Ulm et de Freiberg ont analysé les particules de graphite en termes de pureté et de réutilisation comme matériau d'anode. "Les tests que nous avons effectués nous ont permis de démontrer que les performances électrochimiques du graphite récupéré dans les batteries lithium ion usagées sont identiques à celles du graphite d'anode neuf. La structure et la morphologie sont peu modifiées en comparaison.

Le graphite recyclé a notamment une capacité de stockage remarquable de plus de 350 mAh/g, malgré les impuretés mineures issues du processus de recyclage", explique le Dr Anna Vanderbruggen, chercheuse au HIF au moment de l'étude, à propos des résultats des tests. Les tests effectués sur des cellules de batterie réassemblées à partir de graphite recyclé montrent en outre une excellente stabilité cyclique. La cellule de test a ainsi été soumise à 1.000 cycles de charge et de décharge, et un maintien de la capacité de 80 % a été constaté. Cette performance est comparable à celle des cellules pleines de référence composées de matériau pur.

Un pas important pour l'économie circulaire

Les résultats constituent un pas important vers la réalisation des objectifs de l'ordonnance européenne sur les piles, qui n'a été amendée que l'année dernière. Elle prévoit l'augmentation de l'efficacité minimale de recyclage de 50 à 70 % d'ici 2030. Étant donné que le graphite représente jusqu'à 25 % de la masse totale des LIB et qu'il restera un composant essentiel des LIB dans les années à venir, ce procédé de recyclage constitue une étape importante pour répondre aux exigences du Green Deal européen, mais aussi et surtout pour l'économie circulaire.

Source : Chemie.de, le 11 avril 2024.