Les métaux liquides offrent une voie verte pour recycler les batteries Li-ion usagées

Alors que le monde adopte les véhicules électriques et l’électronique portable, la montagne de batteries Li-ion usagées s’accumule rapidement. D’ici 2030, on estime que deux millions de tonnes de ces batteries atteindront leur fin de vie chaque année. Aujourd’hui, une équipe de recherche dirigée par le Pr Yu Ding à l’Université de Nanjing et ses collaborateurs a développé une méthode aux métaux liquides qui sépare les matériaux d’électrode à température ambiante en seulement 30 minutes, sans chauffage, sans lessivage acide, et avec de l’hydrogène propre comme sous-produit. L’étude est publiée dans National Science Review.

Recycler efficacement les batteries Li-ion usagées est essentiel, mais le processus bute sur un goulot d’étranglement tenace : séparer les matériaux précieux de la cathode de la feuille d’aluminium du collecteur de courant qui les maintient en place. Les approches actuelles attaquent ce problème par la force brute. La pyrométallurgie utilise une fusion à haute température dépassant 1000 degrés Celsius, consommant des quantités massives d’énergie. L’hydrométallurgie repose sur des acides ou des alcalis forts, générant des eaux usées dangereuses. Ces deux méthodes risquent d’endommager les matériaux mêmes qu’elles visent à récupérer.

L’équipe, avec des collaborateurs de l’Université de Shanghai pour la Science et la Technologie, de l’Université de Tongji et de l’Université de Shanghai Jiao Tong, a trouvé une solution plus douce : les métaux liquides. Leur étude (DOI : 10.1093/nsr/nwag142) présente une stratégie sans chauffage ni lessivage pour la séparation des électrodes. Mingjin Cui, Zhicheng Tian (Université de Nanjing), Yongqing Gong (Université de Tongji) et Bo Xu (Université de Shanghai pour la Science et la Technologie) sont co-premiers auteurs, avec les Pr Yu Ding, Ping He et Menghao Yang comme auteurs correspondants.

L’approche utilise des métaux liquides qui restent liquides à température ambiante. Lorsque cet alliage entre en contact avec la feuille d’aluminium, il mouille rapidement la surface, perce la couche d’oxyde protectrice et s’infiltre le long des joints de grains de l’aluminium, les interfaces faibles entre les microcristaux. Ce processus dissout l’aluminium de l’intérieur, provoquant la désintégration de la feuille tout en laissant le revêtement de la cathode intact et non endommagé.

La séparation prend environ 30 minutes à température ambiante et ne nécessite ni chauffage ni lessivage chimique. « Ce qui nous a le plus surpris, c’est l’universalité de cette méthode. Elle fonctionne aussi bien avec les quatre principales chimies de cathode utilisées dans les batteries commerciales », a expliqué le Pr Ding.

Les tests ont confirmé des efficacités de séparation d’environ 99,4 % pour l’oxyde de nickel cobalt manganèse (NCM), l’oxyde de lithium-cobalt (LCO), le phosphate de fer lithié (LFP) et l’oxyde de lithium-manganèse (LMO). Il est crucial de noter que la dissolution des métaux de transition précieux — nickel, cobalt, manganèse et fer — dans le métal liquide était négligeable, préservant l’intégrité chimique des matériaux de cathode.

Après la séparation, le métal liquide peut être régénéré simplement en ajoutant de l’eau. L’aluminium dissous réagit avec l’eau pour former de l’oxyde d’aluminium, tandis que les métaux liquides régénérés sont prêts à être réutilisés. Cette étape de régénération produit également de l’hydrogène propre comme sous-produit valorisable, sans émissions nocives. L’efficacité de séparation est restée supérieure à 99,3 % après plusieurs cycles de régénération.

« La beauté de ce système, c’est qu’il est vraiment en circuit fermé. Le métal liquide est recyclé, les matériaux de cathode sont récupérés pour être régénérés, et même le sous-produit, l’hydrogène, a une valeur économique significative en tant que vecteur d’énergie propre », a souligné le Pr Ding.

Les matériaux de cathode régénérés ont montré d’excellentes performances électrochimiques après un simple traitement de relithiation. Le NCM régénéré a fourni une capacité réversible de 172 milliampères-heures par gramme à faible intensité de courant, avec une rétention de capacité de 96,5 % sur 100 cycles de charge-décharge. Les cathodes LCO, LFP et LMO ont atteint respectivement 148, 144 et 138 milliampères-heures par gramme.

Une analyse technico-économique a démontré des avantages convaincants par rapport aux méthodes industrielles établies. La méthode des métaux liquides ne consomme que 3,33 mégajoules d’énergie par kilogramme de cellules de batterie traitées, soit moins des deux tiers de la pyrométallurgie (5,27 MJ/kg) et environ un septième de l’hydrométallurgie (22,18 MJ/kg). Les émissions de gaz à effet de serre, la consommation d’eau et les coûts totaux de traitement étaient également substantiellement plus faibles. Les revenus provenant des matériaux récupérés ont atteint 8,70 dollars par kilogramme, le plus élevé parmi toutes les méthodes comparées.

Le gallium (composant des métaux liquides) est à peu près aussi abondant dans la croûte terrestre que le cuivre et le zinc, ce qui offre un fort potentiel pour un approvisionnement à grande échelle à moindre coût à l’avenir. Les chercheurs notent que cette méthode transforme un goulot d’étranglement difficile du recyclage en un processus simple à température ambiante.

Les chercheurs estiment que leur stratégie aux métaux liquides pourrait offrir une voie évolutive, économe en énergie et respectueuse de l’environnement pour recycler le volume croissant de batteries usagées dans le monde, soutenant la transition vers une économie circulaire pour les matériaux critiques des batteries.

M. Cui, Z. Tian, Y. Gong, B. Xu, et al., Heating and leaching-free separation of electrodes by liquid metals for regeneration of spent Li ion batteries, Natl Sci Rev (2026). DOI : 10.1093/nsr/nwag142

Journal : National Science Review – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude