Les ultrasons pour le recyclage des batteries lithium-ion

• Les batteries lithium-ion utilisées dans les voitures électriques arrivent tout juste sur le marché de masse, ce qui nécessite de développer les capacités de recyclage.
• La lixiviation par ultrasons est une technique efficace et respectueuse de l’environnement permettant de récupérer des métaux tels que Li, Mg, Co, Ni, etc. à partir de batteries Li-ion usagées.
• Les systèmes industriels à ultrasons Hielscher destinés aux applications de lixiviation sont fiables et robustes et s’intègrent facilement aux installations de recyclage existantes.

Recyclage des batteries lithium-ion

Les batteries lithium-ion sont largement utilisées dans les véhicules électriques (VE), les ordinateurs portables et les téléphones mobiles. Les batteries lithium-ion usagées représentent donc un défi actuel en matière de gestion des déchets et de recyclage. Les batteries constituent un poste de coût majeur pour les VE, et leur élimination est également coûteuse. Les considérations environnementales et économiques encouragent le recyclage en boucle fermée, car les déchets de batteries contiennent des matériaux précieux et contribuent à réduire l’empreinte carbone de la fabrication des batteries lithium-ion.
Le recyclage des batteries Li-ion devient un secteur industriel florissant afin de garantir la disponibilité future des métaux des terres rares et d’autres composants des batteries et de réduire les coûts environnementaux de l’extraction minière.

Recyclage pyrométallurgique et hydrométallurgique comparé au recyclage des batteries par ultrasons

Nous comparons ci-dessous les méthodes conventionnelles des procédés pyrométallurgiques et hydrométallurgiques à la technique de lixiviation par ultrasons, en examinant leurs avantages et leurs inconvénients.

Les inconvénients du recyclage conventionnel des batteries

Les méthodes traditionnelles utilisées pour le recyclage des batteries lithium-ion comprennent les procédés pyrométallurgiques et hydrométallurgiques.
 
Les méthodes pyrométallurgiques font intervenir des procédés à haute température tels que la fusion ou l’incinération. Les batteries sont soumises à une chaleur extrême, qui provoque la combustion des composants organiques, tandis que les composants métalliques restants sont fondus et séparés. Toutefois, ces méthodes présentent certains inconvénients :

• Impact environnemental : Les procédés pyrométallurgiques libèrent des émissions nocives et des polluants dans l’atmosphère, contribuant à la pollution de l’air et pouvant présenter des risques pour la santé.
• Perte de matériaux : Les procédés à haute température peuvent entraîner la perte de matériaux et de métaux précieux par dégradation thermique, réduisant ainsi le taux global de récupération.
• Forte consommation d’énergie : Ces méthodes nécessitent généralement un apport énergétique important, ce qui augmente les coûts d’exploitation et l’empreinte environnementale.

 
Les méthodes hydrométallurgiques font intervenir une lixiviation chimique pour dissoudre les composants des batteries et extraire les métaux précieux. Bien que plus respectueuse de l’environnement que les méthodes pyrométallurgiques, l’hydrométallurgie présente ses propres inconvénients :

• Utilisation de produits chimiques : La lixiviation nécessite des acides forts ou d’autres produits chimiques corrosifs, ce qui soulève des préoccupations concernant la manipulation des produits chimiques, la gestion des déchets et la contamination potentielle de l’environnement.
• Difficultés de sélectivité : Il peut être difficile d’obtenir une lixiviation sélective des métaux recherchés, ce qui entraîne des taux de récupération plus faibles et une perte potentielle de ressources précieuses.

 

Avantages de la lixiviation des batteries par ultrasons par rapport aux techniques conventionnelles

Comparée aux techniques de recyclage pyrométallurgiques et hydrométallurgiques, la technique de recyclage des batteries par ultrasons se distingue par plusieurs avantages :

1. Efficacité accrue : La sonication peut accélérer la désagrégation des matériaux des batteries, réduisant les durées de traitement et augmentant l’efficacité globale.
2. Taux de récupération améliorés : L’application contrôlée de la cavitation ultrasonore améliore la désagrégation des composants des batteries et augmente les taux de récupération des métaux précieux.
3. Respect de l’environnement : Le recyclage par ultrasons réduit le recours aux températures élevées et aux produits chimiques agressifs, minimisant l’impact environnemental et diminuant les émissions de polluants.
4. Lixiviation sélective : L’application contrôlée des ultrasons permet une désagrégation ciblée de composants spécifiques de la batterie et leur séparation efficace. Comme les différents composés recyclables des batteries sont retirés et dissous à des intensités ultrasonores spécifiques, l’optimisation des paramètres de traitement permet une lixiviation sélective de chaque matériau. Cela facilite la séparation efficace des métaux et des matériaux précieux.
5. Consommation d’énergie réduite : Comparé aux méthodes hydrométallurgiques et surtout aux méthodes pyrométallurgiques, le recyclage par ultrasons est généralement plus économe en énergie, ce qui réduit les coûts d’exploitation et l’empreinte carbone.
6. Adaptation à l’échelle et flexibilité : Les systèmes à ultrasons peuvent facilement être adaptés à une échelle supérieure ou inférieure pour répondre à différentes tailles de batteries et capacités de production. De plus, les appareils à ultrasons destinés au recyclage des batteries s’intègrent facilement aux installations de recyclage de batteries déjà existantes. Disponibles dans différentes gammes de puissance et avec des accessoires adaptés, tels que des sondes ultrasonores et des réacteurs à cellule à circulation, les appareils à ultrasons peuvent traiter des composants de batteries de différentes tailles et répondre à diverses capacités de production, permettant ainsi l’adaptation de l’échelle et des procédés de recyclage.
7. Intégration synergique : La lixiviation par ultrasons peut être intégrée aux lignes existantes de recyclage hydrométallurgique des batteries afin d’intensifier et d’améliorer la lixiviation hydrométallurgique des métaux et des matériaux précieux provenant de batteries Li-ion usagées.

Dans l’ensemble, le recyclage des batteries par ultrasons apparaît prometteur comme méthode plus respectueuse de l’environnement, plus efficace et plus sélective que les approches pyrométallurgiques et hydrométallurgiques traditionnelles.

 

Lixiviation industrielle par ultrasons pour la récupération des métaux provenant de batteries usagées

La lixiviation par ultrasons et l’extraction des métaux peuvent être appliquées aux procédés de recyclage des batteries à oxyde de lithium-cobalt (par exemple celles des ordinateurs portables, des smartphones, etc.), ainsi qu’aux batteries complexes lithium-nickel-manganèse-cobalt (par exemple celles des véhicules électriques).
Les ultrasons de forte puissance sont bien connus pour leur capacité à traiter les liquides chimiques et les suspensions afin d’améliorer le transfert de matière et d’amorcer des réactions chimiques.
Les effets intenses de la sonication de puissance reposent sur le phénomène de cavitation acoustique. Le couplage d’ultrasons de forte puissance dans les liquides / suspensions génère de petites bulles de vide sous l’effet de l’alternance des ondes de basse et de haute pression dans les liquides. Ces petites cavités de vide grossissent au fil de plusieurs cycles de basse pression / haute pression, jusqu’à imploser violemment. Les bulles de vide qui s’effondrent peuvent être considérées comme des microréacteurs dans lesquels se produisent des températures allant jusqu’à 5000K, des pressions allant jusqu’à 1000atm et des vitesses de chauffage et de refroidissement supérieures à 10^-10 . De plus, de fortes forces de cisaillement hydrodynamique et des jets de liquide atteignant une vitesse de 280m/s sont générés. Ces conditions extrêmes de cavitation acoustique créent des conditions physiques et chimiques extraordinaires dans des liquides par ailleurs froids et un environnement favorable aux réactions chimiques (ce que l’on appelle la sonochimie).

La cavitation générée par ultrasons peut induire la thermolyse des solutés ainsi que la formation de radicaux et de réactifs hautement réactifs, tels que des radicaux libres, des ions hydroxyde (•OH,), des ions hydronium (H₃O+), etc., qui créent des conditions de réactivité extraordinaires dans le liquide, augmentant considérablement la vitesse de réaction. Les solides, tels que les particules, sont accélérés par les jets de liquide et broyés par collision entre particules et par abrasion, ce qui augmente la surface active et, par conséquent, le transfert de matière.
Le grand avantage de la lixiviation par ultrasons et de la récupération des métaux réside dans le contrôle précis des paramètres du procédé, tels que l’amplitude, la pression et la température. Ces paramètres permettent d’adapter exactement les conditions de réaction au milieu de traitement et au résultat recherché. De plus, la lixiviation par ultrasons élimine même les plus petites particules métalliques du substrat tout en préservant les microstructures. L’amélioration de la récupération des métaux est due à la création, par ultrasons, de surfaces hautement réactives, à l’augmentation des vitesses de réaction et à l’amélioration du transport de matière. Les procédés de sonication peuvent être optimisés en agissant sur chaque paramètre et sont donc non seulement très efficaces, mais aussi très économes en énergie.
Le contrôle précis de ses paramètres et son efficacité énergétique font de la lixiviation par ultrasons une technique avantageuse et particulièrement performante – notamment par rapport aux techniques complexes de lixiviation acide et de chélation.

Récupération par ultrasons de LiCoO₂ à partir de batteries lithium-ion usagées

La sonication facilite la lixiviation réductrice et la précipitation chimique, qui sont utilisées pour récupérer Li sous forme de Li₂CO₃ et Co sous forme de Co(OH)₂ à partir de déchets de batteries lithium-ion.
Zhang et al. (2014) rapportent la récupération réussie de LiCoO₂ au moyen d’un réacteur à ultrasons. Pour préparer la solution initiale de 600mL, ils ont placé 10g de poudre de LiCoO₂ inutilisable dans un bécher et ont ajouté une solution de LiOH à 2,0mol/L, puis ont mélangé le tout.
Le mélange a été versé dans l’irradiation ultrasonore et le dispositif d’agitation a été mis en marche ; celui-ci était placé à l’intérieur du récipient de réaction. Le mélange a été chauffé à 120◦C, puis l’appareil à ultrasons a été réglé sur 800W et le fonctionnement des ultrasons a été réglé sur des cycles de fonctionnement pulsés de 5 sec. ON / 2sec. OFF. L’irradiation ultrasonore a été appliquée pendant 6h, puis le mélange réactionnel a refroidi jusqu’à température ambiante. Le résidu solide a été lavé plusieurs fois à l’eau déionisée et séché à 80◦C jusqu’à masse constante. L’échantillon obtenu a été recueilli pour des essais ultérieurs et la production de batteries. La capacité de charge au premier cycle est de 134,2mAh/g et la capacité de décharge est de 133,5mAh/g. Le rendement de charge et de décharge au premier cycle était de 99,5%. Après 40 cycles, la capacité de décharge est encore de 132,9mAh/g. (Zhang et al. 2014)
 

 
La lixiviation par ultrasons avec des acides organiques tels que l’acide citrique est non seulement efficace, mais aussi respectueuse de l’environnement. Des recherches ont montré que la lixiviation de Co et Li est plus efficace avec l’acide citrique qu’avec les acides inorganiques H2SO4 et HCl. Plus de 96% de Co et près de 100% de Li ont été récupérés à partir de batteries lithium-ion usagées. Le faible coût et la biodégradabilité des acides organiques, tels que l’acide citrique et l’acide acétique, apportent des avantages économiques et environnementaux supplémentaires à la sonication.

Ultrasons industriels de forte puissance pour la lixiviation des métaux provenant de batteries usagées

Hielscher Ultrasonics est votre fournisseur de longue expérience de systèmes à ultrasons hautement efficaces et fiables, qui délivrent la puissance nécessaire à la lixiviation des métaux provenant de déchets. Pour retraiter les batteries Li-ion en extrayant des métaux tels que le cobalt, le lithium, le nickel et le manganèse, des systèmes à ultrasons puissants et robustes sont indispensables. Les unités industrielles Hielscher Ultrasonics telles que UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) et UIP16000 (16kW) sont les systèmes à ultrasons haute performance les plus puissants et les plus robustes du marché. Toutes nos unités industrielles peuvent fonctionner en continu avec des amplitudes très élevées allant jusqu’à 200µm, en fonctionnement 24/7. Pour des amplitudes encore plus élevées, des sonotrodes ultrasonores sur mesure sont disponibles. La robustesse des équipements à ultrasons Hielscher permet un fonctionnement 24/7 sous forte sollicitation et dans des environnements exigeants. Hielscher fournit également des sonotrodes et des réacteurs spéciaux pour les températures élevées, les pressions élevées et les liquides corrosifs. Nos appareils industriels à ultrasons sont ainsi particulièrement adaptés aux techniques de métallurgie extractive, par exemple aux traitements hydrométallurgiques.

Le tableau ci-dessous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos appareils à ultrasons :

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Bibliographie / Références

• Golmohammadzadeh R., Rashchi F., Vahidi E. (2017): Recovery of lithium and cobalt from spent lithium-ion batteries using organic acids: Process optimization and kinetic aspects. Waste Management 64, 2017. 244–254.
• Shin S.-M.; Lee D.-W.; Wang J.-P. (2018): Fabrication of Nickel Nanosized Powder from LiNiO₂ from Spent Lithium-Ion Battery. Metals 8, 2018.
• Zhang Z., He W., Li G., Xia J., Hu H., Huang J. (2014): Ultrasound-assisted Hydrothermal Renovation of LiCoO₂ from the Cathode of Spent Lithium-ion Batteries. Int. J. Electrochem. Sci., 9 (2014). 3691-3700.
• Zhang Z., He W., Li G., Xia J., Hu H., Huang J., Shengbo Z. (2014): Recovery of Lithium Cobalt Oxide Material from the Cathode of Spent Lithium-Ion Batteries. ECS Electrochemistry Letters, 3 (6), 2014. A58-A61.