La seconde vie des batteries lithium-ion pourrait nous emmener dans l'espace
De la poubelle au trésor : le recyclage des piles usagées donne des résultats prometteurs
L'utilisation mondiale des batteries lithium-ion a doublé au cours des quatre dernières années seulement, générant des quantités alarmantes de déchets de batteries contenant de nombreuses substances dangereuses. La nécessité de disposer de méthodes de recyclage efficaces pour les batteries lithium-ion usagées devient de plus en plus pressante. Dans la revue ChemElectroChem, des scientifiques de divers instituts de recherche polonais, dont l'université des sciences et technologies de Bydgoszcz (PBS), l'institut de recherche technologique fondamentale de l'académie polonaise des sciences, l'institut de chimie physique de la PAS de Varsovie et l'université des sciences et technologies de Wroclaw, ont présenté une solution prometteuse à ce problème.
La recherche s'est appuyée sur des matériaux carbonés extraits d'électrodes de batteries lithium-ion (LIB) usagées. Ces électrodes ont été soumises à un processus de lixiviation acide afin de récupérer les métaux précieux. Selon les conditions expérimentales, le matériau carboné obtenu était plus ou moins décapé et, après avoir été réduit en poudre, contenait encore des traces de métaux, notamment de cobalt, un métal souvent utilisé en catalyse. L'objectif de la recherche était de réutiliser ces matériaux de piles pour les utiliser dans des processus catalytiques, en se concentrant particulièrement sur ceux qui facilitent la production de peroxyde d'hydrogène.
"Le peroxyde d'hydrogène est l'une des molécules chimiques fondamentales, essentielle à de nombreuses industries. La production à grande échelle de cette substance nécessite généralement des pressions et des températures élevées, des catalyseurs coûteux et divers électrolytes toxiques. Nous nous sommes concentrés sur le développement d'une méthode de production de peroxyde d'hydrogène plus respectueuse de l'environnement : plus précisément, une approche électrochimique utilisant des catalyseurs dérivés de batteries lithium-ion usagées", explique le Dr Eng. Magdalena Warczak (PBS), chef de projet et auteur principal de l'article décrivant cette réalisation.
Les tests électrochimiques ont révélé que les matériaux récupérés dans les batteries LIB usagées, contenant des nanostructures de carbone et du cobalt, présentent des propriétés catalytiques dans la réaction de réduction de l'oxygène. Toutefois, il a également été constaté que ces propriétés dépendent fortement du type d'échantillon, en particulier de sa composition et de sa structure, qui sont largement influencées par la composition des bains de gravure utilisés pour nettoyer les électrodes extraites des batteries lithium-ion.
"Pour de futures applications potentielles, la découverte cruciale est que, sur la base des données recueillies lors d'expériences utilisant une électrode rotative, nous avons pu déterminer le nombre d'électrons impliqués dans la réduction d'une seule molécule d'oxygène. La réduction électrochimique de l'oxygène peut se produire avec quatre ou deux électrons. Dans le cas de quatre électrons, de l'eau est produite, mais avec deux électrons, nous obtenons le peroxyde d'hydrogène désiré. Dans tous les échantillons que nous avons testés, nous avons observé la réduction à deux électrons", explique le Dr Warczak.
Pour éliminer l'impact potentiel de l'électrode de carbone vitreux utilisée comme substrat sur les résultats, les mesures ont été répétées dans des systèmes où les poudres de piles individuelles étaient suspendues entre deux liquides non miscibles. Le liquide organique contenait du décaméthylferrocène, un composé qui donne des électrons dans la réaction de réduction de l'oxygène étudiée. La réduction de l'oxygène s'est produite spontanément à l'interface entre les liquides. Ces études ont confirmé que, comme pour les expériences avec l'électrode de carbone vitreux, tous les échantillons catalysaient la réaction de réduction de l'oxygène pour produire du peroxyde d'hydrogène. Les concentrations de peroxyde d'hydrogène à l'interface, mesurées à l'aide d'un microscope électrochimique à balayage, étaient d'un à deux ordres de grandeur plus élevées que dans les systèmes sans déchets de batterie.
"Les batteries lithium-ion ont généralement été considérées comme une simple source secondaire de matériaux carbonés, principalement le graphite, et de métaux tels que le lithium, le cobalt ou le nickel. Cependant, les résultats obtenus par notre groupe démontrent clairement que les déchets de batterie peuvent catalyser la réduction de l'oxygène en peroxyde d'hydrogène, ce qui, à l'avenir, pourrait conduire à leur utilisation dans la production de cet important composé chimique", conclut le Dr Warczak.
Le peroxyde d'hydrogène à une concentration de 3 % est vendu en pharmacie comme désinfectant pour les plaies et les inflammations, bien que son efficacité pour le soin des plaies soit discutable. Les solutions dont la concentration peut atteindre 15 % sont utilisées comme agents de blanchiment dans les produits d'entretien ménager et les cosmétiques, tels que les produits éclaircissants pour les cheveux. Une solution à une concentration d'environ 30 %, connue sous le nom de peroxyde d'hydrogène, est cruciale dans diverses industries, notamment la fabrication de produits chimiques (pour la synthèse du peroxyde et comme oxydant), la pâte à papier et les textiles (comme agent de blanchiment), le caoutchouc (comme matière première), l'électronique et le métal (comme agent de gravure), et la transformation des aliments (comme substance biocide).
Il est intéressant de noter que le peroxyde d'hydrogène peut également servir d'oxydant pour les carburants, y compris les carburants pour fusées. Il a joué ce rôle pour la première fois dans les années 1940, lorsqu'il a été utilisé dans les premières fusées capables de franchir la frontière conventionnelle de l'espace. Toutefois, à l'époque, ses concentrations ne dépassaient pas 80 %, et les limitations technologiques entravaient les missions à long terme. En revanche, à des concentrations élevées (98 % ou plus), le peroxyde d'hydrogène est l'un des propergols les plus respectueux de l'environnement. Il y a quelques semaines, il a été utilisé sous cette forme pour la première fois dans un vol spatial, propulsant une fusée suborbitale construite à l'Institut d'aviation Lukasiewicz de Varsovie.
La recherche sur la production de peroxyde d'hydrogène à partir de matériaux carbonés récupérés dans les batteries lithium-ion usagées, précédemment financée par une subvention SONATA du Centre national polonais des sciences, sera poursuivie. L'accent sera mis sur l'amélioration de l'efficacité des réactions électrochimiques à un niveau adapté à une future utilisation industrielle. Les plans futurs comprennent également l'exploration de la réduction à quatre électrons pour des applications potentielles dans les piles à combustible.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Magdalena Warczak, Magdalena Osial, Weronika Urbańska, Natalia Sławkowska, Agnieszka Dąbrowska, Magdalena Bonarowska, Marcin Pisarek, Roman Minikayev, Michael Giersig, Marcin Opallo; "Insights into the High Catalytic Activity of Li‐Ion Battery Waste toward Oxygen Reduction to Hydrogen Peroxide"; ChemElectroChem, Volume 11, 2024-6-27
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