Recyclage des électrodes – Hautement efficace grâce à la délamination par ultrasons

La délamination des électrodes par ultrasons permet de récupérer en quelques secondes des matériaux actifs tels que le lithium, le nickel, le manganèse, le cobalt, etc. Ainsi, la délamination ultrasonique des électrodes rend la récupération des matériaux réutilisables issus des batteries plus rapide, plus écologique et nettement moins énergivore. La recherche a déjà prouvé que la délamination par ultrasons peut être 100 fois plus rapide que les techniques de recyclage conventionnelles.

Les ultrasons de puissance améliorent la récupération des matériaux actifs des électrodes

La délamination des électrodes assistée par ultrasons offre une approche rapide, efficace et durable pour récupérer les matériaux actifs et la feuille. Ces parties de l’électrode sont des matériaux précieux, qui peuvent être réutilisés pour la fabrication de nouvelles batteries. La délamination par ultrasons est non seulement nettement plus économe en énergie que les procédés de recyclage hydrométallurgiques et pyrométallurgiques, mais elle permet aussi d’obtenir des matériaux de plus grande pureté.

Recyclage des batteries : séparation et délamination des électrodes

Le recyclage des batteries lithium-ion (LIB) vise à récupérer des matériaux de valeur. Les électrodes contiennent des matériaux précieux et rares tels que le lithium, le nickel, le manganèse, le cobalt, etc., qui peuvent être récupérés efficacement grâce à un procédé continu de délamination par ultrasons. Les processeurs à ultrasons équipés d’une sonde (sonotrode) peuvent générer des amplitudes intenses. L’amplitude transmet les ondes ultrasonores dans le milieu liquide (p. ex. un bain de solvant), où, en raison de l’alternance de cycles haute pression / basse pression, de minuscules bulles de vide apparaissent. Ces bulles de vide grossissent au fil de quelques cycles, jusqu’à atteindre une taille à laquelle elles ne peuvent plus absorber d’énergie supplémentaire. À ce stade, les bulles implosent violemment. L’implosion des bulles génère localement un environnement à très haute densité énergétique, avec des jets de liquide atteignant une vitesse de 280m/s, de fortes turbulences, des températures très élevées (env. 5 000K), des pressions (env. 2 000atm) et, en conséquence, des différentiels de température et de pression.
Ce phénomène d’implosion de bulles induite par ultrasons est connu sous le nom de cavitation acoustique. Les effets de la cavitation acoustique détachent le film composite de matériau actif du collecteur de courant en feuille, qui est revêtu des deux côtés de ce film composite. Le matériau actif contient principalement un mélange de poudre d’oxyde de lithium-manganèse (LMO) et d’oxyde de lithium-nickel-manganèse-cobalt (LiNiMnCoO2 ou NMC), ainsi que du noir de carbone comme additif conducteur.
Le mécanisme de la délamination par ultrasons repose sur des forces physiques capables de rompre des liaisons moléculaires. En raison de l’intensité des ultrasons de puissance, des solvants plus doux suffisent souvent pour retirer les couches de matériau actif de la feuille ou du collecteur de courant. Ainsi, la délamination ultrasonique des électrodes est plus rapide, respectueuse de l’environnement et nettement moins énergivore.

Images de microscopie électronique à balayage (MEB) montrant les modifications morphologiques du matériau actif de l’électrode à la suite de la délamination par ultrasons. Toutes les images ont été prises avec un grossissement de 5000x et une énergie d’excitation de 10 kV. a) matériau de cathode avant délamination, b) matériau actif de cathode délaminé, c) matériau d’anode avant délamination et d) matériau d’anode délaminé.
(étude et images : Lei et al., 2021)

Broyage des batteries vs. séparation des électrodes

Pour la récupération du matériau actif, on utilise des solvants aqueux ou organiques afin de dissoudre la feuille métallique, le liant polymère et/ou le matériau actif. La conception et le déroulement du procédé influencent considérablement le résultat final de la récupération des matériaux. Le procédé traditionnel de recyclage des batteries implique le broyage des modules de batterie. Cependant, les composants broyés sont difficiles à séparer en composants individuels. L’obtention de matériau actif/de valeur à partir de la masse broyée nécessite un traitement complexe. Pour réutiliser les matériaux actifs récupérés, un certain degré de pureté est requis. L’obtention de matériaux de haute pureté à partir de la masse de batteries broyées implique des procédés complexes et des solvants agressifs, et s’avère donc coûteuse. La lixiviation par ultrasons est utilisée avec succès pour intensifier et améliorer les résultats de la récupération des matériaux actifs à partir de batteries lithium-ion broyées.
En tant que procédé alternatif au broyage traditionnel, la séparation des électrodes s’est révélée être un procédé de recyclage des batteries efficace, capable d’améliorer considérablement la pureté des matériaux obtenus. Pour le procédé de séparation des électrodes, la batterie est démontée en ses principaux composants. Les électrodes contenant la plus grande part des matériaux de valeur, l’électrode est séparée et traitée chimiquement afin de dissoudre les matériaux actifs (lithium, nickel, manganèse, cobalt …) de la feuille revêtue ou du collecteur de courant. La sonication est bien connue pour ses effets intenses provoqués par la cavitation acoustique. Les forces sonomécaniques appliquent suffisamment d’oscillations et de cisaillement pour retirer les matériaux actifs déposés en couches sur la feuille. (La structure d’une feuille revêtue s’apparente à un sandwich : la feuille au centre et la couche de matériau actif formant la surface extérieure.)
La séparation des électrodes constituerait une option plus viable que le broyage lorsqu’elle est associée à un démontage autonome, permettant des flux de déchets plus purs et une meilleure conservation de la valeur dans l’approvisionnement

Sonotrodes à ultrasons pour la délamination des électrodes

Des sonotrodes spéciales fournissant l’amplitude nécessaire pour retirer les matériaux actifs de la feuille d’électrode sont disponibles. Comme l’intensité de la cavitation acoustique diminue à mesure que la distance entre la sonotrode et l’électrode augmente, une distance constante et uniforme entre la sonotrode et l’électrode est favorable. Cela signifie que la feuille d’électrode doit être déplacée juste sous l’extrémité de la sonotrode, là où les ondes de pression sont fortes et la densité de cavitation élevée. Avec des sonotrodes spéciales offrant une largeur supérieure à celle de la sonde ultrasonique cylindrique standard, Hielscher Ultrasonics propose une solution efficace pour la délamination uniforme des feuilles d’électrodes issues de véhicules électriques. Par exemple, les électrodes utilisées dans les batteries à cellules souples (pouch) des véhicules électriques (VE) ont généralement une largeur d’env. 20 cm. Une sonotrode de même largeur transmet la cavitation acoustique de manière uniforme sur toute la surface de l’électrode. Ainsi, en quelques secondes, les couches de matériau actif sont libérées dans le solvant et peuvent être extraites et purifiées sous forme de poudre. Cette poudre peut être réutilisée pour la production de nouvelles batteries.
L’équipe de recherche de la Faraday Institution du Royaume-Uni rapporte que le retrait des couches de matériau actif d’une électrode de LIB peut être achevé en moins de 10 s lorsque l’électrode est placée directement sous une sonotrode de forte puissance (1000 à 2000 W, p. ex. UIP1000hdT ou UIP2000hdT). Pendant le traitement par ultrasons, les liaisons adhésives entre les matériaux actifs et les collecteurs de courant sont rompues, de sorte que, lors d’une étape de purification ultérieure, un collecteur de courant intact et du matériau actif en poudre peuvent être récupérés.

Images montrant l’effet des ultrasons sur la face arrière : a) d’une feuille d’anode de batterie lithium-ion, et b) d’une feuille de cathode de batterie lithium-ion. L’anode a été délaminée dans une solution d’acide citrique à 0,05 M ; la cathode a été délaminée dans une solution de NaOH à 0,1 M. La sonotrode avait un diamètre de 20 mm, avec une intensité de puissance de 120 W/cm2 appliquée pendant 3 secondes, à 2,5 mm de la sonotrode. La taille de l’échantillon était de 3 cm x 3 cm.
(étude et images : Lei et al., 2021)

Ultrasonicateurs pour la délamination des électrodes

Hielscher Ultrasonics conçoit, fabrique et distribue des processeurs à ultrasons haute performance fonctionnant dans la plage de 20kHz. Les ultrasonicateurs industriels de Hielscher Ultrasonics sont des processeurs à ultrasons de forte puissance capables de fournir des amplitudes très élevées pour les applications exigeantes. Des amplitudes allant jusqu’à 200µm peuvent facilement être maintenues en continu, en fonctionnement 24/7. Pour des amplitudes encore plus élevées, des sonotrodes ultrasoniques personnalisées sont disponibles. Pour le procédé continu de délamination des électrodes, Hielscher propose une gamme de sonotrodes standard ainsi que personnalisées. La taille de la sonotrode peut être adaptée à la taille et à la largeur du matériau d’électrode, afin de viser des conditions de procédé optimales pour une cadence de traitement élevée et une récupération supérieure.

Bibliographie / Références

• Lei, Chunhong; Aldous, Iain; Hartley, Jennifer; Thompson, Dana; Scott, Sean; Hanson, Rowan; Anderson, Paul; Kendrick, Emma; Sommerville, Rob; Ryder, Karl; Abbott, Andrew (2021): Lithium ion battery recycling using high-intensity ultrasonication. Green Chemistry 23(13), 2021.
• Suslick, K.S. (1998): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; 4th Ed. J. Wiley & Sons: New York, 1998, vol. 26, 517-541.
• Zhang, Zheming; He, Wenzhi; Li, Guangming; Xia, Jing; Hu, Huikang; Huang, Juwen (2014): Ultrasound-assisted Hydrothermal Renovation of LiCoO2 from the Cathode of Spent Lithium-ion Batteries. International Journal of Electrochemical Science 9, 2014. 3691-3700.