Alors que l’inquiรฉtude monte sur les impacts du changement climatique, de nombreux experts rรฉclament une plus grande utilisation de l’รฉlectricitรฉ comme substitut aux combustibles fossiles. Alimentรฉ par les progrรจs de la technologie des batteries, le nombre de vรฉhicules hybrides rechargeables et รฉlectriques sur les routes augmente. Et les services publics gรฉnรจrent une part croissante de leur รฉnergie ร partir de carburants renouvelables, soutenus par des systรจmes de stockage par batterie ร grande รฉchelle.
Ces tendances, associรฉes ร un volume croissant de tรฉlรฉphones, montres, ordinateurs portables, appareils portables et autres technologies grand public alimentรฉs par batterie, nous laissent nous demander: qu’adviendra-t-il de toutes ces batteries une fois qu’elles seront usรฉes?
Malgrรฉ un enthousiasme รฉcrasant pour des batteries moins chรจres, plus puissantes et plus denses en รฉnergie, les fabricants ont accordรฉ relativement peu d’attention ร rendre ces appareils essentiels plus durables. Aux รtats-Unis, seuls 5% environ des batteries lithium-ion – la technologie de choix pour les vรฉhicules รฉlectriques et de nombreux produits de haute technologie – sont en fait recyclรฉs. Alors que les ventes de vรฉhicules รฉlectriques et de gadgets technologiques continuent de croรฎtre, il est difficile de savoir qui doit gรฉrer les dรฉchets de batterie dangereux ou comment le faire.
Les ingรฉnieurs qui travaillent ร la conception de matรฉriaux avancรฉs, y compris des batteries, penses qu’il est important de rรฉflรฉchir ร ces problรจmes dรจs maintenant. Crรฉer des voies pour que les fabricants de batteries construisent des processus de fabrication durables de production au recyclage qui respectent ร la fois les normes des consommateurs et les normes environnementales peut rรฉduire la probabilitรฉ d’une crise des dรฉchets de batteries dans la dรฉcennie ร venir.
Contenu dangereux
Les batteries posent des problรจmes de recyclage et d’รฉlimination plus complexes que les mรฉtaux, les plastiques et les produits en papier car elles contiennent de nombreux composants chimiques qui sont ร la fois toxiques et difficiles ร sรฉparer.
Certains types de batteries largement utilisรฉes – notamment les batteries au plomb-acide dans les voitures ร essence – ont des chimies et des conceptions relativement simples qui les rendent faciles ร recycler. Les piles alcalines ou ร base d’eau non rechargeables courantes qui alimentent des appareils comme les lampes de poche et les dรฉtecteurs de fumรฉe peuvent รชtre jetรฉes directement dans les dรฉcharges.
Cependant, les batteries lithium-ion d’aujourd’hui sont trรจs sophistiquรฉes et ne sont pas conรงues pour รชtre recyclables. Ils contiennent des produits chimiques dangereux, tels que des sels de lithium toxiques et des mรฉtaux de transition, qui peuvent endommager l’environnement et s’infiltrer dans les sources d’eau. Les batteries au lithium usagรฉes contiennent รฉgalement de l’รฉnergie รฉlectrochimique intรฉgrรฉe – une petite quantitรฉ de charge restante aprรจs 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 รฉconomique ร modifier les protocoles existants pour intรฉgrer des conceptions respectueuses du recyclage. Aujourd’hui, le recyclage d’une batterie lithium-ion coรปte plus cher que les matรฉriaux rรฉcupรฉrables qu’elle contient.
En consรฉquence, la responsabilitรฉ de la gestion des dรฉchets de batteries incombe frรฉquemment ร des recycleurs tiers – des entreprises qui gagnent de l’argent en collectant et en traitant les matiรจres recyclables. Il leur est souvent moins coรปteux de stocker les batteries que de les traiter et de les recycler.
Les technologies de recyclage qui peuvent dรฉcomposer les batteries, telles que la pyromรฉtallurgie, ou la combustion, et l’hydromรฉtallurgie, ou la lixiviation ร l’acide, deviennent de plus en plus efficaces et รฉconomiques. Mais le manque d’infrastructure appropriรฉe de recyclage des batteries crรฉe des obstacles tout au long de la chaรฎne d’approvisionnement.
Par exemple, le transport de batteries usagรฉes sur de longues distances vers des centres de recyclage se ferait gรฉnรฉralement par camion. Les batteries au lithium doivent รชtre emballรฉes et expรฉdiรฉes conformรฉment ร la rรฉglementation sur les matiรจres dangereuses de classe 9 du ministรจre amรฉricain des Transports. En utilisant un modรจle dรฉveloppรฉ par le Laboratoire National d’Argonne, nous estimons que cette exigence augmente les coรปts de transport ร plus de 50 fois ceux du fret rรฉgulier.
Plus sรปr et plus simple
Bien qu’il soit difficile d’intรฉgrer la recyclabilitรฉ dans la fabrication existante de batteries lithium-ion conventionnelles, il est essentiel de dรฉvelopper des pratiques durables pour les batteries ร semi-conducteurs, qui sont une technologie de nouvelle gรฉnรฉration qui devrait entrer sur le marchรฉ au cours de cette dรฉcennie.
Une batterie ร semi-conducteurs remplace l’รฉlectrolyte liquide organique inflammable dans les batteries lithium-ion par un รฉlectrolyte solide inorganique ininflammable. Cela permet ร la batterie de fonctionner sur une plage de tempรฉratures beaucoup plus large et rรฉduit considรฉrablement le risque d’incendies ou d’explosions. Notre รฉquipe de nano-ingรฉnieurs s’efforce d’incorporer la facilitรฉ de recyclage dans le dรฉveloppement de batteries ร semi-conducteurs de nouvelle gรฉnรฉration avant que ces batteries n’entrent sur le marchรฉ.
D’un point de vue conceptuel, les batteries respectueuses du recyclage doivent รชtre sรปres ร manipuler et ร transporter, simples ร dรฉmonter, rentables ร fabriquer et peu nocives pour l’environnement. Aprรจs avoir analysรฉ les options, nous avons choisi une combinaison de chimies spรฉcifiques dans les batteries entiรจrement solides de nouvelle gรฉnรฉration qui rรฉpond ร ces exigences.
Notre stratรฉgie de conception rรฉduit le nombre d’รฉtapes nรฉcessaires pour dรฉmonter la batterie et รฉvite 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 matรฉriaux sรปrs et peu coรปteux tels que l’alcool et les techniques de recyclage ร base d’eau. Cette approche est รฉvolutive et respectueuse de l’environnement. Il simplifie considรฉrablement les processus conventionnels de recyclage des batteries et permet de dรฉmonter et de manipuler les matรฉriaux en toute sรฉcuritรฉ.
Une procรฉdure proposรฉe pour le recyclage direct des blocs-batteries ร semi-conducteurs et la rรฉcolte de leurs matรฉriaux en vue de leur rรฉutilisation. Tan et al., 2020, CC BY
Comparรฉ au recyclage des batteries lithium-ion, le recyclage des batteries ร l’รฉtat solide est intrinsรจquement plus sรปr car elles sont entiรจrement constituรฉes de composants ininflammables. De plus, dans notre conception proposรฉe, la batterie entiรจre peut รชtre recyclรฉe directement sans la sรฉparer en composants individuels. Cette fonction rรฉduit considรฉrablement la complexitรฉ et le coรปt de leur recyclage.
Notre conception est une technologie de preuve de concept dรฉveloppรฉe ร l’รฉchelle du laboratoire. Il appartient en dernier ressort aux entreprises privรฉes et aux institutions publiques, telles que les laboratoires nationaux ou les installations publiques de gestion des dรฉchets, d’appliquer ces principes de recyclage ร l’รฉchelle industrielle.
Rรจgles de recyclage des batteries
Le dรฉveloppement d’une batterie facile ร recycler n’est qu’une รฉtape. De nombreux dรฉfis associรฉs au recyclage des batteries dรฉcoulent de la logistique complexe de leur manipulation. La crรฉation d’installations, de rรฉglementations et de pratiques pour la collecte des batteries est tout aussi importante que le dรฉveloppement de meilleures technologies de recyclage. La Chine, la Corรฉe du Sud et l’Union europรฉenne dรฉveloppent dรฉjร des systรจmes et des mandats de recyclage des batteries.
Une รฉtape utile serait que les gouvernements exigent que les batteries portent des รฉtiquettes universelles, semblables aux รฉtiquettes standard internationalement reconnues utilisรฉes pour le recyclage des plastiques et des mรฉtaux. Celles-ci pourraient aider ร รฉduquer les consommateurs et les collecteurs de dรฉchets sur la maniรจre de manipuler diffรฉrents types de piles usagรฉes.
Les marquages โโpeuvent prendre la forme d’une รฉtiquette รฉlectronique imprimรฉe sur des รฉtiquettes de batterie avec des informations intรฉgrรฉes, telles que le type de chimie, l’รขge et le fabricant. Rendre ces donnรฉes facilement disponibles faciliterait le tri automatisรฉ de gros volumes de batteries dans les installations de traitement des dรฉchets.
Il est รฉgalement vital d’amรฉliorer l’application internationale des politiques de recyclage. La plupart des dรฉchets de batteries ne sont pas gรฉnรฉrรฉs lร oรน les batteries ont รฉtรฉ produites ร l’origine, ce qui rend difficile de tenir les fabricants responsables de leur traitement.
Une telle entreprise obligerait les fabricants et les organismes de rรฉglementation ร travailler ensemble sur de nouvelles conceptions favorables au recyclage et de meilleures infrastructures de collecte. En faisant face ร ces dรฉfis maintenant, nous pensons qu’il est possible d’รฉviter ou de rรฉduire les effets nocifs des dรฉchets de batteries ร l’avenir.
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