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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

Conclusion
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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9. Conclusion

Le recyclage est une industrie qui se positionne pour accueillir un grand flux de batteries usagées. Les technologies se mettent en place pour récupérer tous les composants de celles-ci et pas uniquement les métaux précieux dont la proportion diminue rapidement. On doit passer en l’espace de dix ans de l’âge de la pyrométallurgie à celui du démontage et des tris robotisés des batteries avec récupération des composants au plus haut niveau (figure 14).

L’analyse de cycle de vie (ACV) peut être un bon critère pour évaluer ces nouvelles technologies de recyclage dans l’objectif d’un développement durable en tenant compte de leur impact sur l’environnement et pas uniquement sur leur efficacité économique .

La comparaison du coût environnemental et en émissions de CO2 des méthodes de pyrométallurgie, d’hydrométallurgie et de recyclage direct dépend de nombreuses situations différentes telles que la nature des cellules constituant la batterie (cylindrique, pouch-cells, prismatique) qui affecte les étapes de broyage, de désintégration et de séparation, la chimie constituant les batteries, le mix énergétique de l’endroit où le procédé est traité (charbon, nucléaire ou renouvelable), des quantités traitées.

Selon Gaines et al. ...

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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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