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Obtenir plus des batteries lithium-ion grâce à un nouveau procédé de recyclage

La Haute école spécialisée bernoise BFH développe avec ses partenaires un nouveau procédé pour un recyclage plus efficace des batteries lithium-ion. L’un des objectifs du projet est de récupérer davantage de matières premières précieuses à partir des piles usagées et de boucler ainsi les cycles de matériaux.

Personne ou presque ne doute que l’avenir appartient aux véhicules routiers à propulsion électrique. Pour stocker l’énergie, ils utilisent des accumulateurs au lithium-ion, qui sont de plus en plus performants, durables et bon marché. D’ici 2030, environ 60’000 tonnes de batteries de ce type devraient être importées chaque année en Suisse. Elles contiennent des matières premières dont l’extraction et la transformation ont un impact considérable sur l’environnement. Pour que la mobilité électrique puisse tenir ses promesses en matière de durabilité, il convient d’utiliser ces matériaux, parfois rares et couteux, avec parcimonie. C’est pourquoi l’industrie et la science s’intéressent toujours plus aux procédés de recyclage des batteries lithium-ion usagées. Le taux de récupération des piles doit être le plus élevé possible en vue de leur utilisation pour la fabrication de nouvelles piles.

Une récupération qui passe de 70 à 90 %

Dans le cadre d’un projet Innosuisse, la BFH se penche actuellement sur l’optimisation des procédés de recyclage existants, notamment celui qui a été développé à l’Université technique de Braunschweig. Celui-ci permet de récupérer environ 70 % des composants des batteries lithium-ion. Le partenaire chargé de la mise en œuvre du projet est la start-up suisse LIBREC AG. L’entreprise a l’intention d’ouvrir prochainement une usine de recyclage qui traitera les batteries de véhicules usagées pour une utilisation de seconde vie. Alternativement, elle les démontera et les recyclera. Pour le recyclage des matériaux, l’objectif est d’atteindre un taux de récupération de 90 %. La tâche des partenaires de recherche consiste maintenant à atteindre ce quota ambitieux dans le cadre du projet, étalé sur deux ans. La BFH bénéficie par ailleurs du concours du Switzerland Innovation Park Biel/Bienne SIPBB et du Laboratoire fédéral d’essai des matériaux et de recherche (Empa).

Les recherches visent à améliorer plusieurs aspects du processus de valorisation connu, à commencer par la caractérisation des batteries. Il s’agit ici d’analyser la composition exacte des matériaux et l’« état de santé » de chaque batterie. Les connaissances ainsi acquises permettront de déterminer s’il est plus judicieux de songer à une utilisation de seconde vie ou à un recyclage des matériaux. Une décharge profonde et surtout fiable est également importante, car les batteries déchargées incomplètement représentent un risque pour la sécurité en raison des tensions élevées. L’énergie résiduelle récupérée contribue en outre à améliorer le bilan énergétique du processus de recyclage. Le projet vise une optimisation essentielle lors du démontage ultérieur des blocs de batteries. Aujourd’hui encore, la séparation des différents modules de batterie se fait manuellement. D’une part, cela demande beaucoup de travail et coute donc cher. D’autre part, cela comporte des risques. Une procédure partiellement automatisée et de nouveaux dispositifs de sécurité devraient permettre de remédier aux faiblesses du procédé actuel.

Déchiqueter, sécher, séparer

Le SIPBB se charge du développement des processus de caractérisation, de décharge profonde et de démontage des batteries. Grâce à son Swiss Battery Technology Center, il dispose d’un grand savoir-faire dans ces domaines.

La récupération ultérieure d’une part aussi élevée que possible des matériaux fait partie des tâches de la BFH. La haute école, qui exploite à Berthoud une installation de production de petites séries de batteries, peut faire valoir ses compétences dans ce domaine. Dans un premier temps, les modules de batterie sont déchiquetés. Ensuite, le matériau broyé est séché afin d’éviter que des vapeurs dangereuses ne s’en échappent. Le défi consiste à récupérer les solvants dans le liquide électrolytique et à les purifier afin de pouvoir les recycler. Dans tous les procédés utilisés aujourd’hui, les solvants sont brulés.

Le matériau séché est alors d’abord séparé mécaniquement. Une fois que les matériaux indésirables, comme les particules de plastique, ont été retirés, il reste ce que l’on appelle la masse noire. Elle contient tous les composants des cathodes et des anodes, à savoir le lithium, le graphite et différents oxydes de métaux. Le nouveau procédé visé doit permettre de séparer le graphite des matériaux actifs de la cathode dès l’usine de recyclage. Ce prétraitement augmente la valeur de la masse noire. Celle-ci est ensuite traitée par des entreprises spécialisées afin de récupérer les précieux métaux que sont le cobalt, le cuivre, le nickel, le manganèse et l’aluminium, ainsi que le lithium, un métal alcalin. Le projet de recherche vise également à déterminer si le graphite récupéré peut être utilisé pour la fabrication de nouvelles batteries. Dans les procédés actuels, le graphite est brulé ou utilisé comme agent réducteur dans la métallurgie.

Tests en laboratoire, simulations sur ordinateur

Afin de tester les nouveaux procédés utilisés pour la séparation de l’électrolyte et le traitement de la masse noire, la BFH construit et exploite une installation expérimentale dans son laboratoire de recherche. En même temps, elle simulera numériquement tous les processus. Dans le modèle informatique, tous les paramètres peuvent être modifiés à volonté et les effets qui en résultent analysés. C’est particulièrement important pour l’évaluation de la rentabilité, car des facteurs tels que la consommation d’énergie ou l’entretien des installations déterminent aussi les couts du procédé. La BFH mettra les données obtenues par simulation informatique à la disposition de l’Empa, dont l’Advancing Life Cycle Assessment Group (ALCA) effectuera une analyse du cycle de vie pour l’ensemble du processus. L’analyse du cycle de vie doit montrer si le nouveau procédé répond aux attentes élevées, autrement dit s’il contribue à réduire les besoins en matières premières primaires et à se rapprocher de l’objectif d’une économie circulaire pour les batteries de propulsion.

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Prof. Dr Axel Fuerst
Responsable du domaine Mécanique, BFH