La fabrication durable de batteries en vue

Production de batteries respectueuses de l'environnement

L'un des points forts du projet est le passage de la production de cathodes à un processus aqueux. Cette innovation rend la fabrication des batteries nettement plus durable. En outre, une évaluation économique des nouveaux procédés de recyclage des batteries a été réalisée, qui sont déjà plus rentables à l'échelle pilote que les procédés pyrométallurgiques et hydrométallurgiques précédemment utilisés dans l'industrie. L'équipe du projet peut être fière de ses efforts collectifs. Tous les objectifs et toutes les étapes du projet, coordonné par Carl Padberg Zentrifugenbau GmbH, avec dix partenaires directs du projet et deux partenaires associés, ont été atteints. Le potentiel de mise en œuvre commerciale des résultats est élevé.

Principaux développements du projet IDcycLIB

Le projet de recherche collaborative IDcycLIB s'est concentré sur le développement d'un cycle de vie durable des batteries avec cinq objectifs clés en 2021 :

• "Des batteries au lithium plus vertes" utilisant des procédés à base d'eau pour la production de cathodes.
• "Conception pour le recyclage" afin de faciliter le traitement ultérieur des batteries hors d'usage, par exemple en facilitant la séparation des joints d'étanchéité.
• Détectabilité / Passeport de la batterie - identification claire grâce à des particules de marquage magnétiques et fluorescentes.
• Procédés de recyclage à base d'eau - fragmentation électrohydraulique le long des frontières matérielles et technologies innovantes de centrifugation.
• Analyse du cycle de vie et calcul du coût du cycle de vie - prise en compte de l'ensemble de la fabrication et du cycle de vie de la batterie en ce qui concerne son impact sur l'environnement, y compris une plateforme numérique pour la mise en œuvre du passeport de la batterie requis.
• Felix Seiser, coordinateur du projet chez Carl Padberg Zentrifugenbau GmbH, a déclaré : "Il s'agit du processus complet de création de valeur de la batterie et de son potentiel d'amélioration en termes de respect de l'environnement, de performance et d'économie."

Importance du passeport numérique de la batterie

Le règlement européen sur les batteries prévoit un étiquetage significatif pour les batteries à l'avenir. Cet étiquetage fournit des informations essentielles pour un fonctionnement sûr et une récupération efficace des matériaux des batteries, y compris l'empreinte carbone. Cependant, les aides techniques et les normes pour la saisie des données de production et l'affectation individuelle à des éléments de batterie spécifiques n'ont pas encore été spécifiées de manière uniforme.

Andreas Flegler, coordinateur scientifique du projet au Fraunhofer ISC, explique : "Dans le cadre du projet IDcycLIB, nous avons mis au point des processus et des matériaux qui permettent la collecte automatisée et individualisée de données dans la production de cellules, ainsi que leur transfert dans un système de base de données approprié." L'élément central du travail dans ce domaine a été la définition d'un passeport de batterie par iPoint. Celui-ci permet pour la première fois de cartographier l'ensemble du parcours, depuis la production des cellules, la collecte des données pendant la production, l'attribution d'un UUID, le stockage des données, les interfaces, jusqu'à l'identification des cellules, l'extraction et l'affichage du passeport de la batterie. En outre, ce passeport est doté d'un marquage inviolable qui est extrêmement robuste et donc idéal pour les produits durables tels que les piles. Grâce à des particules de marquage magnétique spécialement conçues par le groupe de particules de l'université Friedrich-Alexander d'Erlangen-Nuremberg, à la méthodologie de détection de l'institut Fraunhofer pour les circuits intégrés (IIS) et aux motifs de particules de Polysecure, chaque élément de batterie peut être identifié en toute sécurité grâce à son "empreinte digitale" unique. Même les composants individuels tels que les matériaux d'électrodes ont été marqués avec des particules de marqueurs fluorescents de Polysecure afin de suivre le parcours des matériaux et de faciliter le tri dans le processus de recyclage.

La mise au point de ce système de marquage, qui peut également marquer des composants individuels à l'intérieur de la cellule de la batterie sans en perturber le fonctionnement ni en réduire la durée de vie, a constitué un défi particulier pour l'équipe du projet. L'identité unique des particules a été associée à un "identificateur universel unique" (UUID). Cet UUID est une séquence de chiffres unique au monde, utilisée pour l'identification précise des informations dans les systèmes informatiques. L'UUID relie la cellule ou le composant concerné à l'ensemble de données correspondant généré au cours de la production. Cela permet de traiter différents niveaux - passeports individuels pour chaque composant ou pour l'ensemble de la batterie - et de fournir des informations pertinentes sur les caractéristiques du produit, sa composition, les matières premières essentielles, la recyclabilité, l'empreinte carbone et d'autres paramètres spécifiques.

Pour récupérer les informations, une nouvelle technologie de détection de Polysecure a été utilisée dans le cadre du projet. Elle permet de lire et de traiter rapidement les informations stockées dans les patrons de particules. La fourniture de données de production dans le passeport de la batterie a été rendue possible en utilisant des modèles de données provenant de réseaux d'échange de données existants tels que le réseau automobile CATENA-X et en préparation pour le "Eclipse Dataspace Connector". L'interopérabilité requise - c'est-à-dire la capacité d'échanger des données entre systèmes communs - est ainsi garantie, ce qui permet un accès rapide aux données stockées dans le passeport de la batterie.

Progrès dans la fabrication des électrodes - Traitement à base d'eau

Pour une fabrication plus durable des composants de la batterie, le processus de production des cathodes a été examiné de près dans IDcycLIB. Pour le liant utilisé, le PVDF (polyfluorure de vinyle et de diène) - un membre de la famille des PFAS de plus en plus critiqué - l'équipe IDcycLIB du Fraunhofer ISC a utilisé un liant à base de cellulose. En outre, le solvant NMP (N-Méthyl-2-Pyrrolidone), précédemment utilisé dans la fabrication des cathodes, a été remplacé par de l'eau. Le NMP est considéré comme toxique pour la reproduction, ce qui signifie qu'il peut altérer la capacité de reproduction.

Le procédé à base d'eau mis au point par IDcycLIB constitue donc une étape importante vers une fabrication de batteries plus respectueuse de l'environnement. "L'eau est en principe le milieu de traitement souhaité. Cependant, nous avons été confrontés à un problème : les matériaux cathodiques courants et les collecteurs de courant en aluminium étaient endommagés par l'eau", a déclaré M. Fleg-ler. Pour protéger le matériau actif nécessaire à la charge de la batterie sur les cathodes, l'équipe du Fraunhofer ISC a modifié la surface à l'aide d'un revêtement spécial. Le processus de fabrication des cathodes avec des matériaux plus respectueux de l'environnement a été étendu à un processus de rouleau à rouleau, produisant des cellules de batterie à l'échelle du prototype pour des tests de cycle de vie et de recyclage ultérieurs. Le procédé à base d'eau est une véritable nouveauté à cette échelle et offre un autre avantage, comme l'explique M. Seiser : "Grâce au liant cellulosique soluble dans l'eau, nous pouvons également revenir à l'eau comme solvant lors d'un recyclage ultérieur."

Recyclage direct économique

Les partenaires considèrent que les progrès réalisés en matière de recyclage direct constituent une réussite particulière du projet. Les éléments de batterie sont séparés proprement grâce à une nouvelle méthode, la défragmentation électrohydraulique chez REELEMENTS, partenaire du projet, le long des limites des matériaux, et peuvent ensuite être séparés en fractions de matériaux individuels, c'est-à-dire "classés", à l'aide d'une technologie de centrifugation innovante et automatisée de CEPA, développée dans IDcycLIB. Cela permet une récupération fonctionnelle des matériaux de la batterie, qui peuvent être utilisés directement pour la production de nouvelles cellules de batterie.

Le vieillissement des matériaux peut être corrigé par des processus de régénération. Grâce à une nouvelle technologie de mesure, la teneur en lithium, en fluor et en alumine de l'eau de traitement peut également être déterminée directement et rapidement (en l'espace de quelques minutes). "Le recyclage direct n'a pas seulement un potentiel écologique élevé par rapport à l'état actuel de la technique. Il est également plus économique, même à l'échelle de notre petit projet, que les procédés conventionnels tels que la pyrométallurgie et l'hydrométallurgie", conclut fièrement le coordinateur du projet, M. Seiser. Cet avantage a été clairement démontré par l'analyse du cycle de vie du partenaire du projet, EurA. Le projet IDcycLIB a donc véritablement franchi une étape importante.