Kimmai Tran, étudiante diplômée de l'Université Rice, et ses collègues ont développé une solution respectueuse de l'environnement pour éliminer les métaux précieux de cobalt et de lithium des batteries lithium-ion usagées. Crédit :Jeff Fitlow/Université Rice
Les chercheurs de l'Université Rice ont littéralement une solution pour faire face à la surabondance de batteries lithium-ion usagées laissée par la demande toujours croissante de véhicules électriques, téléphones portables et autres appareils électroniques.
Le scientifique des matériaux du laboratoire Rice Pulickel Ajayan a utilisé un solvant eutectique profond respectueux de l'environnement pour extraire des éléments précieux des oxydes métalliques couramment utilisés comme cathodes dans les batteries lithium-ion. Le but, les chercheurs ont dit, est de réduire l'utilisation de procédés difficiles pour recycler les batteries et de les garder hors des décharges.
Le solvant, composé de produits de base chlorure de choline et éthylène glycol, extrait plus de 90 pour cent du cobalt de composés en poudre, et une quantité plus petite mais toujours importante de piles usagées.
"Déchets de piles rechargeables, notamment des batteries lithium-ion, deviendra un défi environnemental de plus en plus menaçant à l'avenir à mesure que la demande de ces derniers par le biais de leur utilisation dans les véhicules électriques et autres gadgets augmente considérablement, " dit Ajayan.
« Il est important de récupérer des métaux stratégiques comme le cobalt dont l'approvisionnement est limité et qui sont essentiels aux performances de ces dispositifs de stockage d'énergie, " Il a dit. " Quelque chose à apprendre de notre situation actuelle avec les plastiques, c'est que c'est le bon moment pour avoir une stratégie globale pour recycler le volume croissant de déchets de batteries. "
Les résultats apparaissent dans Énergie naturelle .
"Cela a déjà été tenté avec des acides, ", a déclaré Kimmai Tran, étudiant diplômé et auteur principal de Rice. "Ils sont efficaces, mais ils sont corrosifs et non écologiques. Dans son ensemble, le recyclage des batteries lithium-ion est généralement coûteux et constitue un risque pour les travailleurs. »
D'autres procédés présentent également des inconvénients, elle a dit. La pyrométallurgie consiste à broyer et mélanger à des températures extrêmes, et les fumées nocives nécessitent un récurage. L'hydrométallurgie nécessite des produits chimiques caustiques, tandis que d'autres solvants "verts" qui extraient les ions métalliques nécessitent souvent des agents supplémentaires ou des processus à haute température pour les capturer complètement.
Une solution devient verte lorsqu'elle extrait le cobalt d'une cathode lithium-ion usagée. Un laboratoire de l'Université Rice développe une méthode respectueuse de l'environnement pour récupérer les métaux précieux des piles usagées. Crédit :Jeff Fitlow/Université Rice
"Ce qui est bien avec ce solvant eutectique profond, c'est qu'il peut dissoudre une grande variété d'oxydes métalliques, " Tran dit. " Il est littéralement fait d'un additif alimentaire pour poulet et d'un précurseur plastique commun qui, lorsqu'ils sont mélangés à température ambiante, former un clair, solution relativement non toxique qui a des propriétés de solvatation efficaces."
Un solvant eutectique profond est un mélange de deux ou plusieurs composés qui gèle à des températures bien inférieures à chacun de ses précurseurs. De cette façon, elle a dit, on peut littéralement obtenir un liquide à partir d'une simple combinaison de solides.
"La forte dépression des points de congélation et de fusion est due aux liaisons hydrogène formées entre les différents produits chimiques, " Tran dit. "En sélectionnant les bons précurseurs, des solvants « verts » peu coûteux aux propriétés intéressantes peuvent être fabriqués. »
Quand Tran a rejoint, le groupe Rice testait déjà une solution eutectique comme électrolyte dans les supercondensateurs haute température de nouvelle génération.
"Nous avons essayé de l'utiliser dans des supercondensateurs à oxyde métallique, et il les dissolvait, " a déclaré Babu Ganguli, chercheur scientifique et auteur co-correspondant de Rice. " La couleur de la solution changerait. "
L'eutectique tirait des ions du nickel du supercondensateur.
"Notre équipe en discutait et nous avons vite réalisé que nous pouvions utiliser ce que l'on pensait être un inconvénient pour l'électrolyte comme un avantage pour dissoudre et recycler les batteries au lithium usagées, " dit Ganguli.
C'est devenu l'objectif de Tran, alors qu'elle testait des solvants eutectiques profonds sur des oxydes métalliques à différentes températures et échelles de temps. Lors d'essais avec de la poudre d'oxyde de cobalt et de lithium, le solvant clair a donné un large spectre de couleurs bleu-vert qui indiquaient la présence de cobalt dissous à l'intérieur.
Des expériences à l'Université Rice ont conduit au développement d'un processus respectueux de l'environnement pour récupérer les métaux précieux de cobalt et de lithium des batteries usagées. Crédit :Jeff Fitlow/Université Rice
À 180 degrés Celsius (356 degrés Fahrenheit), le solvant extrait près de 90 pour cent des ions lithium, et jusqu'à 99 pour cent d'ions cobalt de la poudre lorsque certaines conditions étaient remplies.
Les chercheurs ont construit de petites batteries prototypes et les ont cyclées 300 fois avant d'exposer les électrodes aux mêmes conditions. Le solvant s'est avéré apte à dissoudre le cobalt et le lithium tout en séparant les oxydes métalliques des autres composés présents dans l'électrode.
Ils ont découvert que le cobalt pouvait être récupéré de la solution eutectique par précipitation ou même galvanoplastie sur un treillis en acier, car cette dernière méthode permettait potentiellement de réutiliser le solvant eutectique profond lui-même.
"Nous nous sommes concentrés sur le cobalt, " a déclaré Marco Rodrigues, ancien élève de Rice, maintenant chercheur postdoctoral au Laboratoire National d'Argonne. « Du point de vue des ressources, c'est la partie la plus critique. La batterie de votre téléphone en aura sûrement beaucoup. Le lithium est aussi très précieux, mais le cobalt en particulier est non seulement rare dans l'environnement mais aussi, d'un point de vue social, Difficile à obtenir."
Il a noté que le ministère de l'Énergie déploie de nouveaux efforts pour faire progresser les technologies de recyclage des batteries et a récemment annoncé la création d'un centre de recyclage des batteries Li-ion.
La voie à suivre exigera des efforts continus.
"Il est probable que nous ne serons pas en mesure de recycler et de remplacer complètement l'exploitation minière, " Tran dit. "Ces technologies sont relativement nouvelles, et il y a beaucoup d'optimisation à faire, comme l'exploration d'autres solvants eutectiques profonds, mais nous croyons vraiment au potentiel de moyens plus écologiques de faire de la chimie sale. Le développement durable est au cœur de mon travail et de ce que je veux faire pour le reste de ma carrière."
