De la poubelle au trésor : une nouvelle méthode régénère efficacement les piles usagées à l'oxyde de lithium et de cobalt
Un pas important vers la réutilisation durable des piles
Les batteries au lithium-ion sont essentielles pour alimenter les appareils électroniques et les véhicules électriques, mais leur durée de vie limitée - généralement de 5 à 8 ans - génère d'énormes volumes de déchets dangereux. Les technologies de recyclage actuelles, telles que la pyrométallurgie et l'hydrométallurgie, sont gourmandes en énergie, nuisibles à l'environnement et inefficaces, en particulier lorsqu'il s'agit de cathodes fortement dégradées. Ces matériaux souffrent souvent d'un effondrement structurel, d'un appauvrissement en lithium et de la formation de phases spinelles de surface comme Co₃O₄, qui entravent la régénération. Si le recyclage direct offre une alternative plus propre, il se heurte à une diffusion inégale du lithium et à des barrières énergétiques élevées. Ces défis soulignent le besoin urgent de méthodes innovantes et à faible impact qui peuvent restaurer efficacement la fonctionnalité des cathodes LIB usées.、
Illustration schématique du processus de régénération des cathodes d'oxyde de lithium et de cobalt (LCO) fortement dégradées. Par broyage à billes, le LCO usé structuré en phase spinelle (SLCO) est transformé en un intermédiaire amorphe (rLCO), ce qui facilite la reconstitution du lithium et la restauration de la structure. Un traitement ultérieur avec du LiOH permet la formation de LCO régénéré (RLCO) dont l'architecture en couches et les performances électrochimiques sont restaurées.
Energy Materials and Devices, Tsinghua University Press
Publiée en mars 2025, dans Energy Materials and Devices, une étude collaborative a dévoilé une technique assistée par broyage à billes pour revitaliser les cathodes LiCoO₂ (LCO) vieillies. En transformant les structures cristallines dégradées en intermédiaires amorphes, puis en les frittant à haute température, les chercheurs ont réussi à reconstruire l'architecture en couches et à rétablir les performances des batteries. Les cathodes régénérées ont démontré une capacité de 179,10 mAh-g-¹ à 0,5 C, ce qui correspond à celle des nouveaux matériaux commerciaux. Cette méthode offre des avantages indéniables par rapport aux méthodes de recyclage conventionnelles en termes d'efficacité, de coût et d'empreinte environnementale, marquant ainsi une étape importante vers la réutilisation durable des batteries.
Au cœur de cette étude se trouve une stratégie de transformation structurelle pilotée par le broyage à billes. Le processus convertit la phase spinelle rigide et sujette aux défauts (Co₃O₄), couramment formée sur les cathodes LCO dégradées, en une phase amorphe homogène. Cet intermédiaire permet non seulement d'atténuer les contraintes internes, mais aussi de faciliter la réintégration uniforme du lithium lors du frittage ultérieur à haute température. Les cathodes LCO régénérées (RLCO) ont atteint une capacité de décharge élevée de 179,10 mAh-g-¹ à 0,5 C, ce qui correspond étroitement aux normes commerciales. Les mesures de performance étaient prometteuses : 91,7 % d'efficacité coulombienne initiale et 88 % de rétention de capacité après 100 cycles. La modélisation par éléments finis a confirmé la supériorité de la diffusion du lithium dans la phase amorphe, par rapport aux techniques de réparation conventionnelles. D'un point de vue économique, la méthode réduit les coûts de recyclage d'environ 25 % par rapport à l'hydrométallurgie, élimine la production d'eaux usées toxiques et offre un bénéfice prévisionnel de 1 503 dollars par kilogramme de matériau récupéré. Des techniques de caractérisation avancées - notamment HAADF-STEM, XRD et XPS - ont permis de vérifier la restauration complète de la structure cristalline en couches et l'élimination des défauts liés au Co²⁺. Ces résultats s'attaquent à des obstacles de longue date dans la régénération directe des cathodes et jettent les bases de l'extension de cette méthode à d'autres chimies de cathodes largement utilisées, telles que le nickel-manganèse-cobalt (NMC) et le phosphate de fer-lithium (LFP).
"Ces travaux considèrent la dégradation structurelle comme une opportunité", a déclaré Guangmin Zhou, co-auteur de l'étude. L'intermédiaire amorphe agit comme une "autoroute de réparation" pour le lithium, offrant une stratégie généralisable pour régénérer d'autres matériaux cathodiques comme le NMC ou le LFP. Des experts indépendants ont souligné le potentiel de cette méthode pour un déploiement à grande échelle, citant sa capacité à réduire la dépendance aux matières premières et à diminuer les déchets électroniques. L'équilibre entre la rigueur scientifique et la faisabilité pratique de l'étude en fait une référence importante pour l'avenir du recyclage des piles.
Cette technique de régénération est très prometteuse pour la technologie des batteries durables et les efforts en matière d'économie circulaire. En permettant un recyclage efficace et à grande échelle des cathodes LCO dégradées, la méthode pourrait réduire considérablement la dépendance à l'égard du cobalt vierge et des ressources critiques de lithium dont les chaînes d'approvisionnement sont limitées et sensibles sur le plan géopolitique. Sa rentabilité et sa simplicité opérationnelle la prédisposent à une adoption industrielle, avec une intégration potentielle dans les flux de production de batteries existants. En outre, il s'aligne sur des réglementations environnementales strictes telles que le règlement de l'UE sur les batteries, offrant une alternative à faible émission de carbone et sans déchets aux systèmes de recyclage existants. Au-delà du LCO, les principes sous-jacents de l'ingénierie de la phase amorphe et de la restauration structurelle pourraient être appliqués à d'autres chimies, ce qui favoriserait une innovation plus large dans les solutions de stockage d'énergie de la prochaine génération.
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.
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