La lixiviation par ultrasons transforme le recyclage des batteries et la mine urbaine

Les batteries usagées et les déchets électroniques regorgent de matériaux précieux tels que le lithium, le nickel, le manganèse et le cobalt, essentiels pour répondre à la demande croissante des secteurs des énergies renouvelables et des véhicules électriques. La mine urbaine – le processus de récupération de ces métaux à partir de batteries mises au rebut et d’autres déchets électroniques – est une voie prometteuse vers une économie circulaire, qui réduit le besoin d’extraction minière primaire et minimise les déchets. Une technique clé dans ce domaine est la sonication, qui a démontré des avantages considérables en augmentant les taux de récupération des métaux, en réduisant les durées de traitement et en améliorant la durabilité.

La puissance de la sonication dans le recyclage des batteries et la mine urbaine : une révolution pour la récupération durable des ressources

Une étude récente de Canciani et al. (2024) examine les effets de la cavitation ultrasonore – de minuscules ondes de choc créées par des ondes ultrasonores de haute intensité – sur le processus de lixiviation pour le recyclage des batteries. Leurs recherches montrent que la sonication n’est pas seulement une modeste amélioration du recyclage traditionnel ; elle modifie fondamentalement la manière dont le processus de recyclage interagit avec le matériau des batteries, le rendant plus rapide, plus efficace et moins dépendant de produits chimiques agressifs.
Découvrez ci-dessous les résultats de l’étude !

La lixiviation acide assistée par ultrasons est douze fois plus rapide que la lixiviation acide conventionnelle, grâce à l’action mécanique bénéfique des bulles de cavitation qui éclatent près de la surface. Ce phénomène améliore le mélange de la solution acide et renforce ainsi les propriétés de transport.
Image et étude : © Canciani et al., 2024

Comment fonctionne la sonication dans le recyclage des batteries

Dans le recyclage classique des batteries, les matériaux de cathode (qui contiennent des métaux précieux) sont dissous dans une solution acide, un processus appelé « lixiviation ». Cette approche permet de séparer et de récupérer les métaux de la structure solide de la batterie. Cependant, la lixiviation conventionnelle prend beaucoup de temps et nécessite souvent des heures pour obtenir une récupération significative des métaux. Elle exige en outre des acides forts et des températures élevées, ce qui soulève des préoccupations quant à son impact environnemental.
La sonication transforme ce processus en introduisant des ondes ultrasonores directement dans la solution de lixiviation. Dans l’étude publiée en 2024 par Canciani et al., les chercheurs ont testé cette technique avec un matériau de batterie de substitution, l’oxyde de lithium-cobalt-nickel-manganèse (NMC). En appliquant des ondes ultrasonores à une fréquence et une amplitude spécifiques, ils ont constaté que la cavitation ultrasonore réduit la durée de lixiviation de plus de 80 %. Le processus est passé de plusieurs heures à quelques minutes, ce qui représente une amélioration révolutionnaire de l’efficacité.

Le rôle de la sonication dans la lixiviation améliorée : la science derrière le transfert de masse et la rapidité

La sonication ne se contente pas d’accélérer la lixiviation ; elle modifie la manière dont la solution acide interagit avec les particules de la batterie. Les ultrasons de haute puissance créent des millions de bulles microscopiques qui implosent rapidement dans la solution, un phénomène appelé cavitation. Cette action génère des forces locales intenses qui désagrègent les particules de surface et augmentent l’interaction entre l’acide et les métaux contenus dans le matériau de la batterie.
Selon Canciani et al. (2024), ce processus a deux effets principaux sur les matériaux de batterie : il augmente la porosité des particules et réduit leur taille, ce qui entraîne une augmentation spectaculaire de la surface spécifique. Avec une surface plus grande, l’acide peut interagir plus largement avec le matériau, ce qui facilite une lixiviation plus rapide. Les auteurs ont observé que le volume poreux des échantillons soniqués augmentait d’un ordre de grandeur par rapport à celui des échantillons traités de manière conventionnelle, créant davantage de voies permettant à l’acide de dissoudre le contenu métallique.

Images MEB des particules à différents moments de la lixiviation conventionnelle (a–c) et ultrasonore (d–f).
Image et étude : © Canciani et al., 2024

Lixiviation par ultrasons : propriétés de transport et micro-mélange améliorés

L’étude suggère également que la cavitation ultrasonore améliore non seulement le contact de surface, mais aussi de manière significative les propriétés de transport. Concrètement, cela signifie que la répartition de l’acide sur les particules de la batterie devient plus uniforme, le micro-mélange induit par la cavitation assurant une exposition homogène. Il en résulte un milieu réactionnel homogénéisé, qui permet à l’acide de dissoudre les métaux de manière plus efficace et plus uniforme.
Un autre résultat notable est que les avantages de la cavitation ultrasonore vont au-delà de la réduction de la taille des particules. Les chercheurs ont constaté que la cavitation modifie le mécanisme d’interaction entre l’acide et les particules, probablement en raison d’un meilleur transport à travers la couche limite. En termes simples, la cavitation réduit l’épaisseur de la couche liquide entourant chaque particule, ce qui permet une dissolution plus rapide des métaux.

Distributions granulométriques après lixiviation ultrasonore et conventionnelle
Image et étude : © Canciani et al., 2024

Avantages pour la mine urbaine et la durabilité

L’efficacité de la sonication dans le recyclage des batteries recèle un potentiel énorme pour l’avenir de la mine urbaine et de la récupération durable des ressources. Les résultats de Canciani et al. (2024) indiquent que la sonication remplacera les pratiques néfastes pour l’environnement ou réduira la dépendance à leur égard en :

• Réduisant l’utilisation de produits chimiques : La lixiviation assistée par ultrasons permet d’utiliser des solvants plus écologiques comme l’acide acétique, plutôt que les acides plus agressifs généralement nécessaires à la lixiviation conventionnelle.
• Diminuant les besoins énergétiques : Avec la sonication, la lixiviation se déroule rapidement à température ambiante au lieu de nécessiter un chauffage prolongé, ce qui réduit la consommation d’énergie et les émissions.
• Augmentant la récupération des matériaux : L’amélioration de l’interaction de surface et l’augmentation de la porosité maximisent les taux de récupération des métaux précieux, rendant le processus de recyclage économiquement viable et respectueux de l’environnement.

Impact plus large sur l’industrie des batteries

Avec l’essor des véhicules électriques et des technologies d’énergie renouvelable, la demande de batteries – et, par extension, des métaux qu’elles contiennent – connaît une forte hausse. La mine urbaine associée au recyclage assisté par sonication offre un moyen de récupérer ces métaux de manière durable, en réduisant la charge environnementale liée à l’extraction minière et en proposant une approche en boucle fermée pour la production et l’élimination des batteries.
La mise à l’échelle des méthodes de recyclage par sonication, l’optimisation des combinaisons de solvants et l’affinement de l’application des ondes ultrasonores permettront d’accroître encore l’efficacité. Hielscher Ultrasonics se fera un plaisir de vous recommander la configuration de sonicateur en ligne idéale pour votre processus de lixiviation. Contactez-nous dès maintenant !

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