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Article

1 - BATTERIES LITHIUM-ION

2 - PERSPECTIVES D’ÉVOLUTION D’ICI À 2030

3 - RISQUES INDUSTRIELS ASSOCIÉS AU RECYCLAGE DES BATTERIES

4 - VIEILLISSEMENT RÉUTILISATION DE LA BATTERIE

5 - TRAITEMENT PYROMÉTALLURGIQUE

6 - DÉMANTÈLEMENT, SÉPARATIONS PHYSIQUES OU MÉCANIQUES

7 - RECYCLAGE PAR VOIE HYDROMÉTALLURGIQUE

8 - DÉVELOPPEMENT DE NOUVELLES VOIES DE RECYCLAGE

  • 8.1 - Recyclage direct
  • 8.2 - Récupération sélective du lithium

9 - CONCLUSION

10 - GLOSSAIRE

Article de référence | Réf : TRP1103 v1

Vieillissement réutilisation de la batterie
Recyclage des batteries au lithium

Auteur(s) : Philippe BARBOUX

Date de publication : 10 août 2023

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RÉSUMÉ

Cet article traite du recyclage des batteries au lithium et analyse dans le contexte socio-économique des prochaines années les différentes approches de ré-emploi et de recyclage chimique. Les méthodes de recyclage vont évoluer de la pyrométallurgie qui récupère dans un haut fourneau les métaux de plus grande valeur, à l’hydrométallurgie qui recycle en boucle fermée tous les éléments constitutifs de la batterie puis finalement au recyclage direct qui sépare tous les composants pour les régénérer et les ré-employer sans les détruire. Ces différentes technologies sont complémentaires. Elles évolueront selon le contexte géopolitique d’accès aux ressources minérales, le prix de l’énergie et des ressources et les règlementations encourageant à développer une industrie adaptée à l’économie circulaire.

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ABSTRACT

Recycling Lithium Batteries

This article deals with the recycling of lithium batteries and analyses the different approaches to re-use and chemical recycling in the socio-economic context of the next few years. Recycling methods will evolve from pyrometallurgy, which recovers the most valuable metals in a blast furnace, to hydrometallurgy, which recycles all the components of the battery in a closed loop, and finally to direct recycling, which separates all the components to regenerate them and re-use them without destroying them. These different technologies are complementary. They will evolve according to the geopolitical context of access to mineral resources, the price of energy and resources and the regulations encouraging the development of an industry adapted to the circular economy.

Auteur(s)

  • Philippe BARBOUX : Professeur émérite - Chimie Paristech, Université Paris Sciences et Lettres, Paris, France

INTRODUCTION

Les batteries lithium-ion sont à l’heure actuelle les accumulateurs électrochimiques d’énergie les plus utilisés, particulièrement dans les domaines de l’électronique et des véhicules électriques. Leur densité d’énergie massique et volumique élevées ainsi que leur très bonne tenue en cyclage en font les systèmes les plus appropriés pour fournir de l’énergie mobile au coût le plus faible.

Leur consommation va décupler dans les dix prochaines années à cause du développement des véhicules électriques. Mais ceci pose la question de la disponibilité des matières premières qui implique un recyclage obligatoire pour ne pas épuiser toutes les ressources mondiales. Le développement d’usines de fabrication de batteries en Europe pose aussi le problème de l’approvisionnement local en ressources. Le recyclage des batteries au lithium représente un enjeu majeur de notre développement industriel pour les années à venir car il diminue le risque d’approvisionnement.

Malheureusement, le recyclage de ces produits peut s’avérer dangereux en raison notamment des risques d’explosion ou d’incendie, de la toxicité des métaux traités. On s’est d’abord limité à des méthodes simples comme la pyrométallurgie permettant d’éliminer les déchets tout en récupérant seulement les métaux les plus coûteux (cobalt, nickel) et les plus facilement récupérables pour les ré-injecter dans l’industrie de la métallurgie. Mais, ces méthodes sont gourmandes en énergie et d’autres éléments voient leur valeur fortement augmenter. Également le flux croissant de batteries usagées rend économiquement viable l’émergence d'un recyclage en boucle fermée (de batteries pour refaire des batteries). Les contraintes seront donc de recycler plus de batteries en nombre, d’améliorer le taux de recyclage de chaque batterie en récupérant de façon exhaustive tous les éléments pour les réutiliser dans de nouvelles batteries. Or, la fabrication de batteries nécessite des produits de grande pureté dont les séquences de séparation-purification et refabrication devront s’adapter pour obtenir un cycle complètement fermé. Enfin, la standardisation permettra des séquences de recyclages complexes et robotisés incluant la récupération des éléments pièce par pièce pour les réparer ou les régénérer avant de les réinjecter dans les nouvelles batteries (recyclage direct).

Il est donc nécessaire de comprendre les risques et les particularités du recyclage des batteries et les voies offertes pour effectuer un recyclage plus vertueux, moins coûteux en énergie, en émissions et plus exhaustif.

Cet article discutera la constitution des batteries au lithium puis passera en revue les techniques complémentaires de démantèlement, de traitements thermiques (pyrométallurgie) et les voies de séparations en solution (hydrométallurgie). L’objectif futur est de concevoir des batteries aisément recyclables avec une récupération exhaustive de tous les éléments et les méthodes de récupération par séparations et régénérations sans totalement détruire les matériaux (recyclage direct) seront finalement présentées en tant que perspectives.

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KEYWORDS

hydrometallurgy   |   pyrometallurgy   |   re-use   |   chemical recycling   |   blackmass

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-trp1103


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4. Vieillissement réutilisation de la batterie

Il est important de rappeler que le recyclage chimique c’est-à-dire la récupération des éléments chimiques n’est que l’étape ultime de l’économie circulaire des batteries. Celle-ci s’appuie sur la règle des 4R (Réduire/Réutiliser/Réemployer/Recycler) :

  • réduire : consommer moins ou substituer un objet par un autre moins coûteux en ressources ;

  • réutiliser : prendre l’objet tel quel pour une même utilisation ;

  • réemployer : reprendre des morceaux de l’objet pour une autre utilisation ;

  • recycler : récupérer ce qui a de la valeur dans l’objet.

4.1 Réutilisation et réemploi

Allonger la durée de vie d’une batterie au lithium entre deux recyclages peut donc se faire en répartissant son usage sur plusieurs emplois. Un pack batterie lithium d’un véhicule électrique peut être utilisé jusqu’à ce que ses performances descendent en dessous de 80 % de sa capacité initiale. Sa durée de vie escomptée est de 10 ans parce qu’il subit de nombreuses sollicitations et pics de puissance importants. En dessous de 80 % ou si un des composants tombe en panne, le pack batterie est démonté en modules. Les modules sont analysés et ceux qui fonctionnent encore sont reconvertis pour des engins industriels lourds ou du stockage d’énergie stationnaire. Le mode de fonctionnement plus simple de la batterie permet de l’utiliser pendant encore 20 ans. Ceci allongerait la durée de vie totale de la batterie qui pourrait donc atteindre 30 ans.

Dans le futur proche, il y aura de nombreuses expérimentations sur la seconde vie des batteries avec des gammes allant du kilowattheure (kWh) jusqu’à quelques mégawattheures (MWh). Mais, il faudra sans doute repenser ce marché. En effet, le champ d’application de la batterie lithium deviendrait immense et il n’est pas sûr qu’il y ait suffisamment de ressources en lithium, nickel et cobalt pour subvenir à tous ces besoins. Le bon modèle économique reste à définir à l’heure actuelle ...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - ARMAND (M.) et al -   Lithium-ion batteries – Current state of the art and anticipated developments.  -  J. Power Sources, vol. 479, p. 228708, doi : 10.1016/j.jpowsour.2020.228708 (2020).

  • (2) - TARASCON (J.M.), ARMAND (M.) -   Issues and challenges facing rechargeable lithium batteries.  -  Nature, vol. 414, n° 6861, p. 359-367, doi : 10.1038/35104644 (2001).

  • (3) - DIEKMANN (J.) et al -   Ecological recycling of lithium-ion batteries from electric vehicles with focus on mechanical processes.  -  J. Electrochem. Soc., vol. 164, n° 1, p. A6184-A6191, doi : 10.1149/2.0271701jes (2017).

  • (4) - MELIN (H.E.) -   State-of-the-art in reuse and recycling of lithium-ion batteries.  -  Circ. Energy Storage (2019).

  • (5) - VIKSTRÖM (H.), DAVIDSSON (S.), HÖÖK (M.) -   Lithium availability and future production outlooks.  -  Appl. Energy, vol. 110, p. 252-266, doi : 10.1016/j.apenergy.2013.04.005 (2013).

  • ...

1 Réglementation

Décret n° 2015-849 du 10 juillet 2015 relatif à la mise sur le marché de piles et accumulateurs et à la collecte et au traitement de leurs déchets.

Décret n° 2009-1139 du 22 septembre 2009 transposant la directive européenne 2006/66/CE relative aux piles et accumulateurs ainsi qu’aux déchets de piles et d’accumulateurs.

Le décret est codifié aux articles R. 543-124 à R. 543-134 du Code de l’environnement.

Proposition de Règlement du Parlement européen et du Conseil relatif aux batteries et aux déchets de batteries, abrogeant la directive modifiant le règlement (UE) 2019/1020.

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2 Brevets

Method for preparing nickel and cobalt doped lithium manganate by using waste and old lithium ionic cell as raw material CN200810198972.

A Method of Recycling Valuable Metal from Waste and Old Lithium ion Battery. CN108987841A, 2018.

Method for recycling nickel-cobalt-manganese ternary anode material WO2014/154152A1.

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