Des chercheurs de l'Université de Californie à San Diego ont amélioré leur processus de recyclage qui régénère les cathodes dégradées des batteries lithium-ion usagées. Le nouveau procédé est plus sûr et utilise moins d'énergie que la méthode précédente pour restaurer les cathodes à leur capacité et à leurs performances de cycle d'origine.

Zheng Chen, un professeur de nano-ingénierie affilié au Sustainable Power and Energy Center de l'UC San Diego, conduit le projet. L'ouvrage a été publié en Matériaux énergétiques avancés .

« En raison de la croissance rapide des marchés des véhicules électriques, la capacité de fabrication mondiale de batteries lithium-ion devrait atteindre des centaines de gigawattheures par an au cours des cinq prochaines années, " a déclaré Chen. " Ce travail présente une solution pour récupérer les valeurs des batteries lithium-ion en fin de vie après 5 à 10 ans de fonctionnement. "

L'équipe de Chen a précédemment développé une approche de recyclage direct pour recycler et régénérer les cathodes dégradées. Il reconstitue les ions lithium que les cathodes perdent au cours d'une utilisation prolongée et restaure leurs structures atomiques à leur état d'origine. Cependant, ce processus consiste à pressuriser une solution chaude de sel de lithium de particules cathodiques à environ 10 atmosphères. Le problème est que cette étape de pressurisation augmente les coûts et nécessite des précautions de sécurité supplémentaires et un équipement spécial, dit Chen.

L'équipe a donc développé un procédé plus doux pour effectuer le même travail à pression ambiante (1 atmosphère). La clé était d'utiliser des sels de lithium eutectiques, un mélange de deux sels ou plus qui fond à des températures bien inférieures à celles de l'un de ses composants. Cette combinaison de sels de lithium solides produit un liquide sans solvant que les chercheurs peuvent utiliser pour dissoudre les matériaux cathodiques dégradés et restaurer les ions lithium sans ajouter de pression supplémentaire dans les réacteurs.

La nouvelle méthode de recyclage consiste à collecter les particules cathodiques des batteries lithium-ion usagées, puis à les mélanger avec une solution de sel de lithium eutectique. Le mélange est ensuite traité thermiquement en deux étapes :il est d'abord chauffé à 300 C, puis il subit un court recuit au cours duquel il est chauffé à 850 C pendant plusieurs heures puis refroidi naturellement.

Les chercheurs ont utilisé la méthode pour régénérer NMC (LiNi 0,5 Mn 0,3 Co 0,2 ), une cathode populaire contenant du nickel, manganèse et cobalt, qui est utilisé dans de nombreux véhicules électriques d'aujourd'hui.

"Nous avons fabriqué de nouvelles cathodes à partir des particules régénérées, puis les avons testées dans des batteries construites en laboratoire. Les cathodes régénérées ont montré la même capacité et les mêmes performances de cycle que les originales, " dit Yang Shi, le premier auteur qui a effectué ce travail en tant que chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Chen à l'UC San Diego.

« Dans une batterie lithium-ion en fin de vie, le matériau cathodique perd une partie de son lithium. La structure cristalline de la cathode change également de telle sorte qu'elle est moins capable de faire entrer et sortir des ions. Le processus de recyclage que nous avons développé restaure à la fois la concentration en lithium de la cathode et la structure cristalline à leur état d'origine, " dit Shi.

L'équipe ajuste ce processus afin qu'il puisse être utilisé pour recycler tout type de matériaux cathodiques utilisés dans les batteries lithium-ion et sodium-ion.

"L'objectif est d'en faire un processus de recyclage universel pour tous les matériaux cathodiques, " a déclaré Chen. L'équipe travaille également sur un processus de recyclage des anodes dégradées, comme le graphite ainsi que d'autres matériaux.

Chen collabore également avec Shirley Meng, professeure de nano-ingénierie à l'UC San Diego, qui est le directeur du Sustainable Power and Energy Center, identifier des changements subtils dans la microstructure de la cathode et la composition locale à l'aide d'outils d'imagerie microscopique à haute résolution.