Les batteries un nouveau problème ou une ressource?

Alors que l’inquiétude monte sur les impacts du changement climatique, de nombreux experts réclament une plus grande utilisation de l’électricité comme substitut aux combustibles fossiles. Alimenté par les progrès de la technologie des batteries, le nombre de véhicules hybrides rechargeables et électriques sur les routes augmente. Et les services publics génèrent une part croissante de leur énergie à partir de carburants renouvelables, soutenus par des systèmes de stockage par batterie à grande échelle.

Ces tendances, associées à un volume croissant de téléphones, montres, ordinateurs portables, appareils portables et autres technologies grand public alimentés par batterie, nous laissent nous demander: qu’adviendra-t-il de toutes ces batteries une fois qu’elles seront usées?

Malgré un enthousiasme écrasant pour des batteries moins chères, plus puissantes et plus denses en énergie, les fabricants ont accordé relativement peu d’attention à rendre ces appareils essentiels plus durables. Aux États-Unis, seuls 5% environ des batteries lithium-ion – la technologie de choix pour les véhicules électriques et de nombreux produits de haute technologie – sont en fait recyclés. Alors que les ventes de véhicules électriques et de gadgets technologiques continuent de croître, il est difficile de savoir qui doit gérer les déchets de batterie dangereux ou comment le faire.

Les ingénieurs qui travaillent à la conception de matériaux avancés, y compris des batteries, penses qu’il est important de réfléchir à ces problèmes dès maintenant. Créer des voies pour que les fabricants de batteries construisent des processus de fabrication durables de production au recyclage qui respectent à la fois les normes des consommateurs et les normes environnementales peut réduire la probabilité d’une crise des déchets de batteries dans la décennie à venir.

Contenu dangereux

Les batteries posent des problèmes de recyclage et d’élimination plus complexes que les métaux, les plastiques et les produits en papier car elles contiennent de nombreux composants chimiques qui sont à la fois toxiques et difficiles à séparer.

Certains types de batteries largement utilisées – notamment les batteries au plomb-acide dans les voitures à essence – ont des chimies et des conceptions relativement simples qui les rendent faciles à recycler. Les piles alcalines ou à base d’eau non rechargeables courantes qui alimentent des appareils comme les lampes de poche et les détecteurs de fumée peuvent être jetées directement dans les décharges.

Cependant, les batteries lithium-ion d’aujourd’hui sont très sophistiquées et ne sont pas conçues pour être recyclables. Ils contiennent des produits chimiques dangereux, tels que des sels de lithium toxiques et des métaux de transition, qui peuvent endommager l’environnement et s’infiltrer dans les sources d’eau. Les batteries au lithium usagées contiennent également de l’énergie électrochimique intégrée – une petite quantité de charge restante après qu’elles ne peuvent plus alimenter les appareils – qui peut provoquer des incendies ou des explosions, ou blesser les personnes qui les manipulent.

De plus, les fabricants ont peu d’incitation économique à modifier les protocoles existants pour intégrer des conceptions respectueuses du recyclage. Aujourd’hui, le recyclage d’une batterie lithium-ion coûte plus cher que les matériaux récupérables qu’elle contient.

En conséquence, la responsabilité de la gestion des déchets de batteries incombe fréquemment à des recycleurs tiers – des entreprises qui gagnent de l’argent en collectant et en traitant les matières recyclables. Il leur est souvent moins coûteux de stocker les batteries que de les traiter et de les recycler.

Les technologies de recyclage qui peuvent décomposer les batteries, telles que la pyrométallurgie, ou la combustion, et l’hydrométallurgie, ou la lixiviation à l’acide, deviennent de plus en plus efficaces et économiques. Mais le manque d’infrastructure appropriée de recyclage des batteries crée des obstacles tout au long de la chaîne d’approvisionnement.

Par exemple, le transport de batteries usagées sur de longues distances vers des centres de recyclage se ferait généralement par camion. Les batteries au lithium doivent être emballées et expédiées conformément à la réglementation sur les matières dangereuses de classe 9 du ministère américain des Transports. En utilisant un modèle développé par le Laboratoire National d’Argonne, nous estimons que cette exigence augmente les coûts de transport à plus de 50 fois ceux du fret régulier.

Plus sûr et plus simple

Bien qu’il soit difficile d’intégrer la recyclabilité dans la fabrication existante de batteries lithium-ion conventionnelles, il est essentiel de développer des pratiques durables pour les batteries à semi-conducteurs, qui sont une technologie de nouvelle génération qui devrait entrer sur le marché au cours de cette décennie.

Une batterie à semi-conducteurs remplace l’électrolyte liquide organique inflammable dans les batteries lithium-ion par un électrolyte solide inorganique ininflammable. Cela permet à la batterie de fonctionner sur une plage de températures beaucoup plus large et réduit considérablement le risque d’incendies ou d’explosions. Notre équipe de nano-ingénieurs s’efforce d’incorporer la facilité de recyclage dans le développement de batteries à semi-conducteurs de nouvelle génération avant que ces batteries n’entrent sur le marché.

D’un point de vue conceptuel, les batteries respectueuses du recyclage doivent être sûres à manipuler et à transporter, simples à démonter, rentables à fabriquer et peu nocives pour l’environnement. Après avoir analysé les options, nous avons choisi une combinaison de chimies spécifiques dans les batteries entièrement solides de nouvelle génération qui répond à ces exigences.

Notre stratégie de conception réduit le nombre d’étapes nécessaires pour démonter la batterie et évite d’utiliser la combustion ou des produits chimiques nocifs tels que des acides ou des solvants organiques toxiques. Au lieu de cela, il n’emploie que des matériaux sûrs et peu coûteux tels que l’alcool et les techniques de recyclage à base d’eau. Cette approche est évolutive et respectueuse de l’environnement. Il simplifie considérablement les processus conventionnels de recyclage des batteries et permet de démonter et de manipuler les matériaux en toute sécurité.

Une procédure proposée pour le recyclage direct des blocs-batteries à semi-conducteurs et la récolte de leurs matériaux en vue de leur réutilisation. Tan et al., 2020, CC BY

Comparé au recyclage des batteries lithium-ion, le recyclage des batteries à l’état solide est intrinsèquement plus sûr car elles sont entièrement constituées de composants ininflammables. De plus, dans notre conception proposée, la batterie entière peut être recyclée directement sans la séparer en composants individuels. Cette fonction réduit considérablement la complexité et le coût de leur recyclage.

Notre conception est une technologie de preuve de concept développée à l’échelle du laboratoire. Il appartient en dernier ressort aux entreprises privées et aux institutions publiques, telles que les laboratoires nationaux ou les installations publiques de gestion des déchets, d’appliquer ces principes de recyclage à l’échelle industrielle.

Règles de recyclage des batteries

Le développement d’une batterie facile à recycler n’est qu’une étape. De nombreux défis associés au recyclage des batteries découlent de la logistique complexe de leur manipulation. La création d’installations, de réglementations et de pratiques pour la collecte des batteries est tout aussi importante que le développement de meilleures technologies de recyclage. La Chine, la Corée du Sud et l’Union européenne développent déjà des systèmes et des mandats de recyclage des batteries.

Une étape utile serait que les gouvernements exigent que les batteries portent des étiquettes universelles, semblables aux étiquettes standard internationalement reconnues utilisées pour le recyclage des plastiques et des métaux. Celles-ci pourraient aider à éduquer les consommateurs et les collecteurs de déchets sur la manière de manipuler différents types de piles usagées.

Les marquages ​​peuvent prendre la forme d’une étiquette électronique imprimée sur des étiquettes de batterie avec des informations intégrées, telles que le type de chimie, l’âge et le fabricant. Rendre ces données facilement disponibles faciliterait le tri automatisé de gros volumes de batteries dans les installations de traitement des déchets.

Il est également vital d’améliorer l’application internationale des politiques de recyclage. La plupart des déchets de batteries ne sont pas générés là où les batteries ont été produites à l’origine, ce qui rend difficile de tenir les fabricants responsables de leur traitement.

Une telle entreprise obligerait les fabricants et les organismes de réglementation à travailler ensemble sur de nouvelles conceptions favorables au recyclage et de meilleures infrastructures de collecte. En faisant face à ces défis maintenant, nous pensons qu’il est possible d’éviter ou de réduire les effets nocifs des déchets de batteries à l’avenir.