Une équipe de recherche scientifique de l'Université Cornell aux États-Unis a récemment annoncé avoir développé un nouveau processus de traitement par bain électrochimique capable de « rajeunir » les électrodes de batterie lithium-ion mises au rebut sans endommager la structure de la batterie, rétablissant leur capacité à environ 95 % du niveau d'origine, et qui devrait réduire les coûts de recyclage des batteries d'environ 56 %. Ce résultat a été publié dans la revue « Energy and Environmental Science » et est considéré comme une technologie clé potentielle pour promouvoir le recyclage des batteries au lithium et réduire la charge environnementale.

Le recyclage traditionnel des batteries au lithium nécessite généralement un broyage physique de la batterie entière, puis l'extraction de métaux clés tels que le lithium, le nickel, le cobalt et le manganèse via des processus complexes et consommateurs d'énergie tels que la pyrométallurgie ou l'hydrométallurgie pour les utiliser dans la fabrication de nouvelles électrodes. Dans ce processus, la batterie doit d'abord être complètement déchargée, un grand nombre de pièces auxiliaires, notamment des pièces structurelles et des systèmes de gestion, doivent être démontées, puis les cellules contenant des électrodes, des électrolytes et des séparateurs doivent être broyées mécaniquement. Les particules mélangées formées après le concassage doivent subir plusieurs cycles de tri pour éliminer les flocons de plastique et de métal, ne laissant qu'un mélange appelé « poudre noire », puis entrer dans une fusion à haute température ou une lixiviation chimique pour purifier le métal. Ce modèle a non seulement un long processus, une consommation d'énergie et un coût élevés, mais produit également une certaine quantité de pollution de l'air et de consommation d'eau.

L'équipe de l'Université Cornell a souligné que dans la plupart des véhicules électriques et des systèmes de stockage d'énergie, la principale cause du retrait des batteries au lithium n'est pas la destruction physique du corps de l'électrode, mais la croissance excessive de la couche d'interface électrolyte solide (SEI) à la surface de l'électrode. Le SEI est un film mince naturellement formé à la surface de l’électrode, nécessaire au fonctionnement normal de la batterie. Cependant, après des centaines, voire des milliers de charges et décharges, cette couche va continuer à s’épaissir, entraînant une augmentation de l’impédance et une diminution de la capacité. Les squelettes d’électrodes d’un grand nombre de batteries hors d’usage sont encore intacts et ne sont recouverts que d’une épaisse couche de SEI, qui contient encore des matériaux clés tels que le lithium, le nickel, le cobalt, le manganèse, le cuivre et l’aluminium.

En réponse à ce phénomène, l'équipe de recherche scientifique a proposé un nouveau procédé appelé « régénération directe d'électrode à électrode » (DEER en abrégé). Dans ce procédé, la batterie usagée n'est plus écrasée dans son ensemble, mais est ouverte et les électrodes sont complètement retirées et fixées sur le collecteur de courant. Les électrodes ont ensuite été immergées dans une solution électrochimique contenant de la 1,3-diméthyl-2-imidazolidinone, permettant à la solution de dissoudre sélectivement la couche SEI trop épaisse tout en préservant la structure globale de l'électrode. Une fois la dissolution terminée, seul un mince film de fluorure de lithium reste à la surface de l’électrode, ce qui contribue à stabiliser l’interface et à inhiber la croissance excessive ultérieure de SEI. Les électrodes après ce traitement de « régénération par bain » peuvent être directement assemblées dans de nouvelles batteries pour être réutilisées.

Les résultats expérimentaux montrent que les batteries au lithium régénérées par le procédé DEER peuvent être restaurées à environ 95 % de leur capacité d'origine et présentent une meilleure stabilité de durée de vie. Vibha Kalra, chef de projet et professeur au Département de génie chimique de l'Université Cornell, a déclaré que cette méthode ne nécessite pas de broyer les électrodes en poudre ni de les préparer à nouveau, mais plutôt une « réparation sur place » des électrodes existantes, ce qui raccourcit considérablement le chemin de recyclage des matériaux des batteries. L'équipe a mené une évaluation de l'impact technico-économique et environnemental du processus à l'aide d'un logiciel open source développé en partenariat avec le ReCell Center du Laboratoire national d'Argonne du Département américain de l'énergie. Les résultats de l'analyse montrent que par rapport aux voies de recyclage traditionnelles, DEER peut réduire le coût de fabrication des batteries recyclées d'environ 56 %, réduire les émissions de polluants atmosphériques nocifs et la consommation d'eau de traitement, et réduire le coût de fabrication de la production de nouvelles électrodes.

Les chercheurs ont ensuite testé la faisabilité de plusieurs régénérations : sur une batterie de « seconde vie » qui a été remise en service après avoir été régénérée par DEER et dont la capacité s'est affaiblie, l'équipe a utilisé à plusieurs reprises le même processus de régénération. Les résultats montrent que la batterie de « troisième vie » peut encore conserver environ 90 % de sa capacité d'origine après la deuxième régénération, ce qui indique que cette méthode de bain électrochimique a le potentiel de réparation sur plusieurs cycles. Les expériences actuelles se concentrent principalement sur la dégradation des performances provoquée par la croissance de la couche SEI, et la prochaine étape de recherche sera étendue à d'autres types de mécanismes de vieillissement des batteries tels que la perte de lithium.

Kalra a déclaré que l'état de santé des batteries usagées actuellement en cours d'essai est d'environ 70 à 80 %, ce qui équivaut à l'état des batteries retirées dans les scénarios d'application des véhicules électriques. Si davantage de mécanismes de dégradation peuvent être réparés à l’avenir, cette technologie devrait élargir encore davantage l’éventail des états de santé des batteries renouvelables. L’équipe a également élargi ses cibles d’application aux batteries de qualité industrielle et à d’autres systèmes de stockage d’énergie lithium-ion à grande échelle, dans l’espoir de promouvoir ce processus de régénération dans des infrastructures énergétiques à plus grande échelle. L'Université Cornell estime que la technologie de régénération électrochimique des bains devrait devenir un maillon clé de l'économie circulaire des batteries au lithium, améliorant l'efficacité de l'utilisation des ressources tout en réduisant la pression exercée sur l'environnement par le système de recyclage.