Le lithium, souvent surnommé « or blanc » de l’énergie propre, est un ingrédient clé des batteries, qu’elles alimentent des téléphones, des ordinateurs portables ou des systèmes de stockage d’énergie à grande échelle. Bien que relativement abondant, ce métal argenté pourrait bientôt manquer en raison d’un paysage d’approvisionnement complexe influencé par le boom des véhicules électriques (VE), les objectifs de neutralité carbone et les facteurs géopolitiques.
En 2023, le marché mondial des batteries lithium-ion (LIB) était évalué à plus de 65 milliards de dollars. Une croissance de plus de 23 % est attendue au cours des huit prochaines années, ce qui pourrait exacerber les défis existants en matière d’approvisionnement en lithium.
Défis environnementaux et inefficacité du recyclage
La récupération du lithium à partir des batteries usagées est non seulement coûteuse en termes environnementaux, mais aussi très inefficace. Une équipe de chercheurs de l’Université Rice, dirigée par Pulickel Ajayan, travaille à changer cela.
Dans une étude récente, les chercheurs décrivent une méthode rapide, efficace et respectueuse de l’environnement pour la récupération sélective du lithium utilisant des radiations micro-ondes et un solvant biodégradable. Les résultats montrent que ce nouveau procédé peut récupérer jusqu’à 50 % du lithium des cathodes de LIB usagées en seulement 30 secondes, surmontant ainsi un goulot d’étranglement significatif dans la technologie de recyclage des LIB.
« Nous avons observé une croissance colossale de l’utilisation des LIB ces dernières années, ce qui soulève inévitablement des préoccupations quant à la disponibilité des métaux critiques comme le lithium, le cobalt et le nickel utilisés dans les cathodes », a indiqué Sohini Bhattacharyya, l’une des deux principales auteures de l’étude et boursière postdoctorale à l’Académie Rice. « Il est donc vraiment important de recycler les LIB usagées pour récupérer ces métaux. »
Limites des méthodes de recyclage conventionnelles
Les méthodes de recyclage conventionnelles impliquent souvent des acides agressifs, tandis que les solvants écologiques alternatifs comme les solvants eutectiques profonds (DES) ont eu du mal avec l’efficacité et la viabilité économique. De plus, les méthodes actuelles de recyclage récupèrent moins de 5 % du lithium, principalement en raison de la contamination et des pertes durant le processus ainsi que de la nature énergivore de la récupération.
« Le taux de récupération est si bas parce que le lithium est généralement précipité en dernier après tous les autres métaux, donc notre objectif était de comprendre comment cibler spécifiquement le lithium », a déclaré Salma Alhashim, une ancienne doctorante de Rice et co-auteure principale de l’étude. « Ici, nous avons utilisé un DES composé de chlorure de choline et d’éthylène glycol, sachant d’après nos travaux précédents que lors de la lixiviation dans ce DES, le lithium est entouré par des ions chlorure du chlorure de choline et est lixivié en solution. »
Utilisation des micro-ondes pour une lixiviation sélective
Pour lixivier d’autres métaux comme le cobalt ou le nickel, le chlorure de choline et l’éthylène glycol doivent être impliqués dans le processus. Sachant que seul le chlorure de choline absorbe bien les micro-ondes, les chercheurs ont immergé le matériau de déchet de batterie dans le solvant et l’ont exposé à des radiations micro-ondes.
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« Cela nous a permis de lixivier sélectivement le lithium par rapport aux autres métaux », a déclaré Sohini Bhattacharyya. « Utiliser les radiations micro-ondes pour ce processus est similaire à la façon dont un micro-ondes de cuisine chauffe rapidement les aliments. L’énergie est transférée directement aux molécules, rendant la réaction beaucoup plus rapide que les méthodes de chauffage conventionnelles. »
Comparaison avec les méthodes de chauffage conventionnelles
Comparé aux méthodes de chauffage conventionnelles comme le bain d’huile, le chauffage assisté par micro-ondes peut atteindre des efficacités similaires presque 100 fois plus rapidement. Par exemple, en utilisant le procédé basé sur les micro-ondes, l’équipe a constaté qu’il fallait 15 minutes pour lixivier 87 % du lithium contre les 12 heures nécessaires pour obtenir le même taux de récupération via le chauffage au bain d’huile.
« Cela montre également que la sélectivité envers des éléments spécifiques peut être obtenue simplement en ajustant la composition du DES », a déclaré Alhashim. « Un autre avantage est la stabilité du solvant : parce que la méthode du bain d’huile prend beaucoup plus de temps, le solvant commence à se décomposer, alors que cela ne se produit pas avec les cycles de chauffage courts d’un micro-ondes. »
Impact économique et environnemental
Cette méthode pourrait considérablement améliorer l’économie et l’impact environnemental du recyclage des LIB, offrant une solution durable à un problème mondial croissant. « Cette méthode non seulement améliore le taux de récupération mais minimise également l’impact environnemental, ce qui en fait une étape importante vers le déploiement de systèmes de recyclage basés sur les DES à grande échelle pour la récupération sélective des métaux », a déclaré Ajayan, auteur correspondant de l’étude et professeur d’ingénierie à l’Université Rice.
Légende illustration : Salma Alhashim (à gauche) et Sohini Bhattacharyya. Crédit : Gustavo Raskosky/Rice University
Article : « Microwave Assisted Ultrafast, Selective Lithium Extraction in Deep Eutectic Solvent for LIB Cathode Recycling » – DOI: 10.1002/adfm.202404570
