Un nouveau liant pour batteries, la colle qui maintient ensemble les pièces internes d’une batterie, pourrait rendre les batteries lithium-ion plus respectueuses de l’environnement et plus faciles à recycler sans sacrifier les performances. En créant un liant sans fluor et soluble dans l’eau, des ingénieurs de l’Université de Californie à San Diego ont montré qu’il est possible de simplifier à la fois la fabrication et le recyclage des batteries en réduisant les ingrédients toxiques, la consommation d’énergie et les déchets. Les batteries fabriquées avec le nouveau liant ont affiché des performances équivalentes à celles des batteries lithium-ion conventionnelles.
Cette avancée, publiée le 9 octobre dans Nature Communications, est le fruit d’une collaboration entre le laboratoire de Zheng Chen, professeur au département Aiiso Yufeng Li Family de génie chimique et nano de l’école d’ingénierie Jacobs de l’UC San Diego, et John Muldoon du Toyota Research Institute of North America.
Le liant est le matériau semblable à de la colle qui est mélangé aux poudres d’électrodes pour former des couches solides, ensuite fixées sur de fines feuilles métalliques à l’intérieur de la batterie. Ces couches sont empilées et enroulées pour créer une batterie. Bien que le liant ne représente qu’une petite fraction du poids d’une batterie, il a un impact considérable sur la façon dont celle-ci est fabriquée et recyclée.
Les batteries lithium-ion utilisent généralement un liant contenant du fluor, car celui-ci produit des électrodes très adhésives et uniformes qui restent stables sur de nombreux cycles de charge et de décharge. Cela permet aux batteries de mieux fonctionner et de durer plus longtemps.
« Mais cette même stabilité rend aussi les batteries bien plus difficiles à recycler », a déclaré Chen, dont le Sustainable Materials and Energy Lab à l’UC San Diego est spécialisé dans le développement de méthodes efficaces et respectueuses de l’environnement pour récupérer et restaurer les matériaux des batteries lithium-ion usagées.
Le problème du fluor dans les liants
Un liant contenant du fluor doit être dissous dans un solvant toxique avant de pouvoir être mélangé aux poudres d’électrodes. Une fois les électrodes enduites, de grands fours de séchage servent à évaporer le solvant. Des étapes supplémentaires sont ensuite nécessaires pour récupérer et purifier le solvant afin de le réutiliser. « Ces étapes supplémentaires augmentent considérablement le coût et la consommation d’énergie — ainsi que l’impact environnemental — de la fabrication des batteries », a déclaré Jiao Lin, première auteure de l’étude et chercheuse postdoctorale dans le laboratoire de Chen.
Les liants contenant du fluor compliquent également le processus de recyclage des batteries. Ces liants laissent des résidus tenaces dont l’élimination nécessite une chaleur élevée ou des produits chimiques corrosifs. Cela crée à son tour des déchets dangereux, ainsi que des sous-produits fluorés qui contaminent les matériaux de batterie récupérés et les rendent plus difficiles à réutiliser dans de nouvelles batteries.
Fini le fluor et les solvants toxiques
Pour résoudre ces deux problèmes, l’équipe de Chen a mis au point un liant sans fluor pouvant être traité avec un solvant non toxique : l’eau. Bien que d’autres liants hydrosolubles existent déjà, ils manquent de la résistance et de la durabilité requises pour des batteries performantes, a expliqué Chen.
Le nouveau liant est composé de deux polymères peu coûteux et largement utilisés. L’acide polyacrylique aide le mélange à s’étaler uniformément pendant la fabrication et apporte de la flexibilité. Quant à la carboxyméthylcellulose, un matériau d’origine végétale couramment utilisé dans les produits alimentaires et en papeterie, elle confère résistance et adhérence.
Les polymères ont d’abord été dissous dans l’eau. Les chercheurs ont ensuite ajouté de l’acide citrique, l’acide naturellement présent dans les agrumes, pour lier chimiquement les polymères entre eux. Il en résulte un réseau étroitement connecté, maintenu par différents types de liaisons chimiques qui se renforcent mutuellement. Cela confère à ce liant la résistance, la flexibilité, la stabilité et l’adhérence nécessaires pour rivaliser avec les liants conventionnels contenant du fluor.
Fabriquer et recycler des batteries avec le nouveau liant
Les batteries construites avec le nouveau liant sans fluor ont affiché les mêmes performances initiales que les batteries lithium-ion conventionnelles. Elles ont même conservé leur capacité plus longtemps après des centaines à des milliers de cycles de charge. Le liant était également compatible avec différents types d’électrodes, notamment des cathodes en phosphate de fer et de lithium (LFP), des cathodes riches en nickel, des anodes en graphite et des anodes en silicium.
Le nouveau liant pourrait aussi simplifier le recyclage des batteries. Au lieu d’avoir recours à des produits chimiques agressifs et à des températures élevées pour l’éliminer, comme c’est le cas avec les liants contenant du fluor, les chercheurs ont simplement démonté la batterie et fait tremper les électrodes dans l’eau. Le liant s’est dissous, permettant aux enductions d’électrodes de se séparer proprement des feuilles métalliques sans laisser de résidus. Les matériaux d’électrode récupérés ont ensuite été régénérés grâce à des procédés de recyclage direct et utilisés pour fabriquer de nouvelles batteries.
Ces batteries recyclées ont fonctionné tout aussi bien que celles fabriquées à partir de matériaux d’électrode récupérés de batteries réalisées avec un liant conventionnel contenant du fluor.
Les prochaines étapes comprennent le passage à une production à plus grande échelle du liant pour une fabrication commerciale. Les chercheurs travaillent actuellement à l’optimisation du liant pour différentes chimies de batteries afin d’en améliorer les performances. Chen et son équipe prévoient de commercialiser le liant en collaboration avec des partenaires industriels.
Article : Fluorine-free polymer binder enables circular manufacturing and recycling of lithium-ion batteries – Journal : Nature Communications – DOI : Lien vers l’étude
Source : UCSD
