Les batteries lithium à l’état solide rechargeables pourraient un jour alimenter les téléphones portables et les ordinateurs portables pendant plusieurs jours avec une seule charge. En offrant une densité énergétique nettement améliorée, elles représentent une alternative plus sûre aux batteries lithium-ion inflammables actuellement utilisées dans l’électronique grand public.
Un bémol et non des moindres : elles ne sont pas respectueuses de l’environnement. En effet, les méthodes de recyclage actuelles se concentrent sur la récupération limitée des métaux contenus dans les cathodes, tandis que tout le reste est gaspillé.
Une nouvelle approche pour le recyclage des batteries
Une équipe de chercheurs de Penn State (USA) pourrait avoir résolu ce problème. Dirigée par Enrique Gomez, professeur de génie chimique, l’équipe a reconfiguré la conception de ces batteries lithium à l’état solide afin que tous leurs composants puissent être facilement recyclés.
« Alors que le besoin de batteries rechargeables augmente, nous devons penser à la fin de vie de cette technologie, » a indiqué Enrique Gomez. « Nous espérons que notre travail mettra en lumière les possibilités de recyclage des batteries à l’état solide, grâce à certains éléments de conception clés. »
Le défi du « black mass »
Traditionnellement, la plupart des composants principaux des batteries sont gaspillés car ils se mélangent pendant le processus de recyclage, formant une « black mass », selon les chercheurs. Cette masse noire est riche en matériaux nécessaires pour les batteries, mais leur séparation reste un défi. Dans les batteries à l’état solide, l’utilisation d’électrolytes solides aggrave ce problème, car ils se mélangent avec la masse noire.
Pour séparer plus facilement ces composants des autres composants métalliques dans une batterie bouton, les chercheurs ont inséré deux couches polymères aux interfaces entre l’électrode et l’électrolyte avant le début du processus de recyclage.
« Nous avons proposé que, en dissolvant la couche polymère pendant le processus de recyclage, vous pouvez facilement séparer l’électrode de l’électrolyte, » a précisé Yi-Chen Lan, doctorant en génie chimique et premier auteur de l’article. « Sans la couche polymère pour les séparer, l’électrode et l’électrolyte seraient mélangés, ce qui rendrait leur recyclage difficile. »
Le processus de frittage à froid
Une fois les composants séparés avec succès, les chercheurs ont créé un composite avec les métaux et les électrodes récupérés en utilisant le frittage à froid — le processus de combinaison de matériaux en poudre en formes denses à basse température par pression appliquée à l’aide de solvants. Le frittage à froid a été développé en 2016 par une équipe de chercheurs dirigée par Clive Randall, directeur de l’Institut de Recherche sur les Matériaux de Penn State et professeur distingué de science et ingénierie des matériaux. Gomez et son équipe ont récemment démontré le recyclage des électrolytes à l’état solide en utilisant le frittage à froid.
« Nous avons utilisé le frittage à froid pour combiner les électrodes récupérées avec des poudres d’électrolyte solide composite récupérées, puis reconstruit la batterie avec les couches polymères ajoutées, » a déclaré Po-Hao Lai, doctorant en génie chimique et co-auteur de l’article. « Cela nous permet de recycler toute la batterie, que nous pouvons ensuite recycler à nouveau après son utilisation. »
Des résultats très intéressants
Après avoir testé ses performances, ils ont constaté que la batterie reconstruite a atteint entre 92,5 % et 93,8 % de sa capacité de décharge initiale.
« Bien que la commercialisation des batteries lithium à l’état solide soit encore à ses débuts, notre travail fournit des idées et des perspectives importantes pour la conception de versions recyclables de ces batteries, » a déclaré Lan. « Même si nous n’y sommes pas encore, l’objectif à long terme est d’appliquer cette innovation à des batteries plus grandes qui pourraient être utilisées dans des appareils tels que les téléphones portables et les ordinateurs portables, une fois que la technologie à l’état solide deviendra plus répandue. »
Légende illustration : Des chercheurs ont reconfiguré la conception des piles au lithium à l’état solide de manière à ce que tous leurs composants puissent être facilement recyclés. Ils ont testé leur innovation à l’aide de piles de type « pièce de monnaie », illustrées ici. Crédit : Poornima Tomy/Penn State
Article : « Interfacial Layers to Enable Recyclability of All-Solid-State Lithium Batteries » – DOI: 10.1021/acsenergylett.4c01153
