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Jul 21, 2023

Une vision phénoménologique et quantitative de la dégradation des électrodes positives à partir du lithium usé

Scientific Reports volume 13, Numéro d'article : 5671 (2023) Citer cet article La présente étude porte sur l'observation phénoménologique de la corrosion de la feuille d'électrode positive du lithium-ion

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 5671 (2023) Citer cet article

La présente étude porte sur l'observation phénoménologique de la corrosion de la feuille d'électrode positive de batteries lithium-ion contenant du LiNi0,6Co0,2Mn0,2O2 (NMC) comme matériau cathodique. En raison de la présence d’humidité, une accumulation localisée d’eau se forme à la surface du NMC. L'eau absorbée par l'électrolyte réagit avec le NMC lors d'un échange Li+/H+ et l'augmentation du pH qui en résulte entraîne la dissolution de la feuille de support et des efflorescences salines caractéristiques à la surface du NMC. Avec l'augmentation de la surface relative occupée par les trous dans la feuille d'aluminium au fil du temps, un paramètre suffisamment approprié a été trouvé pour déterminer quantitativement l'étendue de la corrosion. Le degré de dégradation dépend du temps et de l'humidité ambiante. Il a été démontré que le recyclage fonctionnel par jet d'eau n'est plus applicable aux feuilles dégradées, car la stabilité mécanique des feuilles diminue à mesure que la corrosion progresse. Le lithium, l'aluminium, le soufre et l'oxygène ont été détectés dans les blooms par SEM-EDX et Laser-Induced-Breakdown-Spectroscopy (LIBS). Il a été constaté que la couche NMC sous-jacente contenait principalement de l’aluminium et une teneur en lithium nettement inférieure à celle du matériau non dégradé. Les analyses en microscopie MEB et Raman ont également montré que la matière active est également localement dégradée et ne convient donc plus au recyclage fonctionnel.

Les batteries lithium-ion (LIB) sont devenues la technologie dominante pour le stockage de l’énergie électrique au cours des dernières décennies. Les domaines d'application de cette technologie comprennent les smartphones, les ordinateurs portables, les tablettes, les outils ainsi que les applications de mobilité telles que les vélos électriques ou les voitures électriques. Les LIB sont fabriqués dans différentes conceptions. Ils sont disponibles sous forme de cellules cylindriques, prismatiques ou dites de poche. Par exemple, LiCoO2 (LCO), LiMnO2 (LMO), LiNixMnyCozO2 (NMC), LiNixCoyAlzO2 (NCA) ou LiFePO4 (LFP) sont utilisés comme matériaux cathodiques. Le graphite et de plus en plus le silicium ou Li4Ti5O12 (LTO) sont utilisés comme matériaux d'anode. LiPF6 est souvent utilisé comme sel conducteur dans l’électrolyte organique. Il présente une conductivité ionique très élevée et conduit à une passivation du collecteur en aluminium de l'électrode positive1.

Ayant atteint la fin de leur durée de vie, les batteries lithium-ion ne représentent pas un déchet, mais constituent une source importante de matières premières pour tous les éléments nécessaires de toute urgence à la production de nouvelles batteries. À l'échelle industrielle, des procédés basés sur des étapes pyrométallurgiques, thermiques et hydrométallurgiques ont été développés ces dernières années, à l'issue desquels il y a toujours la séparation chimique du matériau cathodique (NMC) constitué de lithium, de nickel, de manganèse et de cobalt en les sels purs des éléments individuels. Cependant, de tels procédés nécessitent une quantité d'énergie considérable ainsi que des réactifs très différents2,3,4,5,6,7,8,9,10,11.

En revanche, de nouvelles approches font leur apparition dans la science, qui sont considérablement plus économes en énergie et en ressources que les processus utilisés jusqu'à présent, appelés dans la littérature recyclage direct11 ou recyclage fonctionnel12. Cette méthode vise à récupérer le matériau cathodique en utilisant le moins de réactifs possible tout en conservant largement ses propriétés morphologiques, physiques et chimiques, afin qu'il puisse être réutilisé directement ou régénéré pour la production de nouvelles cellules de batterie12.

La première mise en œuvre industrielle au monde du principe du recyclage fonctionnel concerne le décapage des électrodes positives par un procédé au jet d'eau. Dans ce processus, le revêtement composé de NMC, de noir de carbone conducteur et de liant est délicatement retiré de la feuille de support en aluminium à l'aide d'un jet d'eau à haute pression, auquel divers additifs peuvent éventuellement être mélangés. Cette technologie relativement simple fait de ce procédé le plus efficace et le plus respectueux de l'environnement par rapport aux autres procédés de recyclage industriel connus13. Un avantage particulier de ce procédé est la haute qualité du matériau recyclé du NMC récupéré, de sorte qu'il peut être utilisé directement comme adjuvant au nouveau matériau cathodique pour la production de nouvelles électrodes positives14.