Les piles au lithium peuvent-elles être recyclées ? Recyclage et réutilisation des piles au lithium

Dans cet article, nous expliquons principalement les recyclage des piles au lithiumet la réparation, la refabrication et la réutilisation (seconde vie) des batteries au lithium-ion. La technologie de recyclage et l'industrie des piles usagées des batteries plomb-acide ont atteint un certain degré de maturité, tandis que les batteries lithium-ion en sont encore au stade primaire.

Il n'existe pas d'exigences ou de réglementations en matière de recyclage pour les batteries lithium-ion. La réutilisation des batteries lithium-ion en est encore à ses débuts. Étant donné que les différentes batteries au lithium bloc-batterie a des caractéristiques et des structures de modules différentes, il est très difficile de faire correspondre différents modules ou cellules en vue d'une utilisation secondaire.

En outre, à mesure que le prix des batteries au lithium diminue, par exemple, le ministère américain de l'énergie et l'Us Advanced Battery Alliance ont fixé l'objectif de prix des batteries au lithium-ion à $100 et $150 par kWh respectivement, ce qui fait que le recyclage des batteries au lithium n'a pas une valeur économique suffisante.

Toutefois, compte tenu de l'évolution actuelle des prix, il faudra attendre un certain temps avant que cela ne se produise, de sorte que le recyclage des piles au lithium est réalisable à court terme. Du point de vue des ressources, le recyclage et la réutilisation des piles au lithium sont le seul moyen d'assurer le développement durable de l'industrie automobile. l'industrie des batteries lithium-ion et l'industrie des véhicules électriques et du stockage de l'énergie).

Malgré l'absence de normes de recyclage, le nombre de batteries lithium-ion sur le marché est encore faible. Malgré les bonnes performances des véhicules électriques ces dernières années, qui dépendent fortement des batteries lithium-ion, les batteries qu'ils utilisent sont encore au début de leur vie, ce qui signifie qu'il peut s'écouler cinq ans ou plus avant qu'elles ne soient mises au rebut, recyclées ou transformées en vue d'une réutilisation.

Bien que les batteries lithium-ion n'en soient qu'au début de leur application commerciale, on trouve encore sur le marché des batteries en phase de recyclage.

Les batteries lithium-ion commencent à peine à être utilisées et de nombreuses batteries nimH vont être mises au rebut, ce qui incite certains fabricants à mettre en place des infrastructures pour le recyclage et la réutilisation des batteries. Cela peut également permettre d'acquérir de l'expérience pour le recyclage des piles au lithium à l'avenir.

La proposition de valeur pour le recyclage des batteries au lithium n'est pas très bonne, surtout lorsqu'il s'agit de réutiliser les batteries. Mais il est concevable que, comme pour les batteries plomb-acide, le prix des batteries lithium-ion pour les voitures à l'avenir comprenne une partie de leur "valeur potentielle" (qui peut être interprétée comme la valeur de la batterie à la fin de sa vie).

En substance, cela représente le rendement que les clients attendent à la fin de la durée de vie initiale de la batterie. Les automobilistes ont la même idée lorsqu'ils installent une batterie au plomb pour démarrer leur voiture.

À l'avenir, il pourrait s'agir d'un modèle commercial intéressant pour les fabricants et les distributeurs : par exemple, le fabricant pourrait déduire cette "valeur potentielle" afin de réduire le prix de la batterie, mais seulement avec un accord avec le client selon lequel la batterie serait retournée au distributeur à la fin de sa durée de vie.

Pour faire du bon travail en matière de recyclage et de réutilisation des piles au lithium, en particulier aux premiers stades du produit, l'usine de recyclage doit se conformer aux 4R résumés par les experts de l'industrie, qui signifient réparation, refabrication, remise à neuf et réaffectation. Avec la batterie d'origine Recyclage.

Aujourd'hui, les usines de recyclage sont confrontées à de nombreux problèmes. L'un d'entre eux concerne les questions juridiques qui se posent lorsque des produits sont recyclés en vue d'une refabrication. Lorsqu'un bloc-batterie tombe en panne après avoir été reconditionné et réutilisé, qui est responsable de la garantie ? Le fabricant d'origine de la batterie, l'usine de recyclage ou l'utilisateur de la batterie ?

Par conséquent, le traitement adéquat des questions juridiques dans le processus de recyclage est propice au bon déroulement du processus de recyclage des piles au lithium.

Recyclage et réutilisation des piles au lithium:Maintenance et reconditionnement

La réparation et la remise à neuf des batteries sont souvent négligées dans le processus de recyclage, mais ce sont en fait les deux aspects les plus importants de l'industrie du service des batteries. Certains grands constructeurs de voitures électriques disposent de nombreuses bases pour le service après-vente, ce qui n'est pas le cas des petites entreprises et des fabricants de batteries.

Par conséquent, la formation d'un bon secteur de service après-vente peut fournir des services de garantie, d'entretien et autres à l'industrie des piles. Elle pourrait également aider certaines entreprises à réduire leurs investissements dans les activités d'après-vente et à se concentrer sur des domaines dans lesquels elles sont spécialisées.

La maintenance et le service après-vente sont également confrontés à de nombreux problèmes, tels que la nécessité de maintenir un certain niveau d'inventaire. Les batteries endommagées ou partiellement invalides sont transférées à l'usine d'entretien et de réparation des batteries, de sorte que les batteries reçoivent une charge et une décharge régulières, ce qui consolide la stabilité du cycle de la batterie.

Les batteries lithium-ion, par exemple, ont tendance à perdre de la capacité. Pour éviter une perte de capacité permanente, il est nécessaire de les charger et de les décharger régulièrement, ce qui peut être facilement réalisé dans les usines de maintenance après-vente.

Recyclage et réutilisation des piles au lithium : Nettoyage, réutilisation et seconde vie

Néanmoins, le recyclage et la réutilisation des piles au lithium sont prometteurs et l'utilisation de matériaux recyclés permet de réduire les coûts. Lors de la conception d'une batterie, la plupart des fabricants définissent la première vie comme le moment où la capacité et la puissance de la batterie tombent à 80% de la valeur initiale.

Par exemple, la batterie de la NISSAN LEAF a une capacité totale de 24 kWh, et sa première vie se termine lorsqu'elle atteint une capacité de 80%, soit environ 19,2 kWh. À ce moment-là, l'énergie de charge complète de la batterie est de 19,2 KWH, et la décharge n'utilise que 80%, soit environ 15kWh d'énergie disponible.

Si un module d'une batterie est démonté, nettoyé et réinstallé dans un autre module, il peut continuer à fournir une faible capacité de batterie pendant plusieurs années.

À l'heure actuelle, le problème épineux du recyclage et de la réutilisation des piles au lithium est qu'il n'existe pas de norme pour les cellules des piles. Les différents fabricants de cellules produisent des cellules différentes, et les différents modules ont besoin de cellules différentes. Chaque cellule a un système chimique différent, ce qui rend très difficile l'association de différents modules de batterie en vue de leur réutilisation.

En outre, de nombreux fabricants de batteries lithium-ion soudent les cellules dans le module, ce qui rend presque impossible le remplacement des cellules à l'intérieur de la batterie, et le module entier est soit utilisé, soit recyclé.

Au début du processus de seconde vie de la batterie et de la chaîne de valeur de la batterie, l'énergie de la batterie est réduite à 80% de l'énergie totale. Comme le montre la figure ci-dessous, la chaîne de valeur de la seconde vie de la batterie, à la fin de sa première vie, sera retirée du véhicule électrique par le centre de service de la batterie et transférée à l'usine pour le recyclage et la réutilisation de la batterie au lithium.

Une fois la batterie évaluée et testée en termes de capacité, de tension et de performances opérationnelles, elle est décomposée et ses différents composants (plastiques, métaux, etc.) sont acheminés vers différentes lignes de recyclage. Le module a été démonté et la cellule a été caractérisée et testée.

Si les modules sont soudés ensemble, le test sera directement représenté. Si les deux modules ne satisfont pas aux normes de performance minimales, ils seront envoyés directement au centre de recyclage. Dans ce cas, la batterie est divisée en différents groupes en fonction de sa capacité, puis réassemblée pour entamer sa seconde vie.

L'une des choses les plus importantes à faire lors de la réutilisation d'une cellule ou d'un module de batterie lithium-ion est sans doute de la caractériser. La capacité et l'énergie globales d'un ensemble de batteries sont limitées par la cellule dont l'énergie et la capacité sont les plus faibles de l'ensemble.

De même, lorsque les cellules et les modules sont réassemblés, la performance finale de la batterie est limitée par la cellule la moins performante, et il est donc souhaitable que les cellules du module soient presque identiques en termes de tension et de capacité. D'autre part, les modules et les cellules des batteries doivent être appariés sur la base de critères de vieillissement.

Une cellule de plus faible capacité réduit la capacité finale du bloc-batterie, tandis qu'une durée de vie plus longue de la cellule ou du module limitera la durée de vie du nouveau bloc-batterie. Il est donc nécessaire de prendre en compte non seulement l'adéquation de la capacité, mais aussi l'adéquation de l'état de santé des cellules (SOH) lors de l'évaluation de la durée de vie secondaire des cellules et des modules.

La même règle s'applique aux batteries : vous ne pouvez pas assembler une cellule ou un module sain de 70% avec une batterie saine de 100%. Par exemple, dans un bloc-batterie, si vous ajoutez un module sain 70% à un bloc-batterie sain 90%, le module le moins sain tombera en panne en premier et détruira donc les autres modules - la durée de vie de la batterie est théoriquement déterminée par la cellule ou le module le plus mauvais.

Par conséquent, lors de l'assemblage ou du réassemblage d'un module, il est préférable de choisir une cellule ou un module ayant la même capacité et le même état de santé.

Par ailleurs, les deux principaux problèmes auxquels se heurtent aujourd'hui le recyclage et la réutilisation des piles au lithium sont sans doute l'approvisionnement en piles et les coûts de remise en état. Étant donné que le nombre de véhicules électriques est encore faible et que les ventes sont limitées chaque année, il n'y a pas assez de batteries à réparer et à réutiliser.

Il est également impossible de prévoir le nombre de batteries qui arriveront sur le marché du recyclage chaque année, car la durée de vie des voitures électriques en circulation est encore inconnue et la fin de vie prévue est encore lointaine. En 2014, les voitures électriques Chevrolet Volt et Nissan Leaf n'avaient que quatre ans et il leur fallait encore quatre à six ans pour atteindre la période de garantie.

Nous supposons que la période de garantie est la même que la durée de vie de la première batterie. Avec l'arrivée de nouveaux modèles de véhicules électriques sur le marché, le nombre de batteries devant être réparées ou recyclées ne cessera d'augmenter. Mais il y a encore très peu de batteries qui sont entrées dans la phase de recyclage.

Le coût du nettoyage des batteries est également un problème de goulot d'étranglement dans l'industrie du recyclage et de la réutilisation des batteries au lithium. Le nettoyage des batteries prend en compte le transport d'un véhicule à moteur vers un atelier de réparation, les tests, la remise à neuf et le réassemblage, ainsi que les coûts non liés à l'entretien, les garanties et les marges bénéficiaires.

À l'heure actuelle, seul un petit nombre de piles sont entrées sur le marché de la réutilisation, et les coûts non liés à l'entretien des piles sont relativement élevés, et ils sont payés en plusieurs fois, de sorte que le coût initial est très élevé. Bien que ce coût soit inférieur à celui de l'achat de nouvelles piles, il reste une dépense importante, à moins que le nombre de piles n'augmente considérablement.

Coopération dans le domaine du recyclage des piles au lithium

Certains constructeurs automobiles travaillent déjà avec des entreprises de recyclage et de réparation de batteries au lithium pour réutiliser les batteries qui ont subi les premiers essais. GM et Nissan ont déjà conclu un partenariat similaire.

En 2012, GM a fait équipe avec ABB pour réassembler le bloc-batterie de la Chevrolet Volt afin de donner à la voiture deux heures d'autonomie supplémentaires. La société utilise également cette technologie dans toute une série de réseaux électriques et de dispositifs de stockage d'énergie stationnaires.

De même, la coentreprise 4R Energy Recycling de Nissan Motor Co. avec Sumitomo Corp. 4R a l'intention d'intégrer l'énergie solaire pour fournir une énergie stable et renouvelable au réseau en utilisant un réseau électrique à grande échelle.

Certaines universités ont également mis en place des projets de démonstration de première et deuxième vie pour les systèmes de stockage d'énergie. Outre la mise en place du plus grand programme de piles à combustible, d'un système de stockage de l'énergie solaire de 30 kW et d'une installation de batteries à flux liquide, l'université de San Diego a récemment ajouté un programme de sous-batteries à haute teneur en lithium, y compris le programme de seconde vie des batteries au lithium-ion. Ce projet permet de tester la durabilité des batteries à durée de vie secondaire pour les véhicules électriques.

À l'heure actuelle, seule une poignée d'entreprises se consacrent au recyclage, à la réparation, à la refabrication et au nettoyage des piles au linthium 4R, dont Spiers New Technologies, une filiale d'ATC New Technologies.

Spiers New Technology s'occupe principalement de l'entretien et du nettoyage des systèmes et modules de batteries HT, logistique des retours des batteries HV du fabricant au commerçant, l'analyse de la qualité des cellules, le reconditionnement des cellules et l'adaptation secondaire, le marché des batteries de seconde vie de différentes qualités et la préparation au recyclage des batteries au lithium.

Sybesma's Electronics travaille sur des batteries lithium-ion similaires appelées 4R. Sybesma's, qui était à l'origine une entreprise de réparation de véhicules électriques et d'appareils électroniques, propose également des services de recyclage, de nettoyage et de réparation de batteries à base de nickel et de batteries au lithium.

Les deux entreprises ont créé un secteur d'activités de seconde vie aux États-Unis, telles que le recyclage, la réparation et le nettoyage des piles au lithium. Si les réglementations gouvernementales peuvent guider le recyclage et la réutilisation des piles au lithium, les usines de recyclage de piles au lithium se développeront de manière plus saine.

Recyclage et reconditionnement des piles au lithium

Les batteries lithium-ion et les blocs-batteries contiennent une grande variété de matériaux recyclables, notamment du lithium, du cobalt, du manganèse, du nickel, du cuivre, de l'acier et des matières plastiques. Cependant, il n'existe aucune mesure incitative ou réglementaire pour que les entreprises reprennent les batteries, et le marché n'est pas efficace pour l'investissement en capital.

Par conséquent, de nombreux fabricants de piles et de batteries prennent les choses en main et laissent à d'autres entreprises spécialisées le soin de recycler les batteries au lithium, c'est-à-dire les composants de la batterie, voire l'ensemble de la batterie.

Le recyclage des métaux précieux contenus dans les cellules des batteries lithium-ion nécessite une grande quantité d'énergie, et la valeur des matériaux collectés ne peut pas couvrir la consommation du processus de recyclage. Les méthodes actuellement développées, telles que l'extraction des métaux précieux à haute ou basse température, permettent de séparer efficacement les composants des batteries.

À haute température, la cellule fond et les matériaux qui la composent sont séparés. Le cobalt, le nickel et le cuivre peuvent être récupérés au cours de ce processus, tandis que le lithium, l'aluminium, l'étain et le manganèse sont séparés par les scories, qui consomment encore beaucoup d'énergie après avoir été raffinées.

Dans la méthode de recyclage des piles au lithium à basse température, les matériaux sont d'abord séparés par une série de filtrages et d'oscillations après que la cellule a été congelée et broyée.

Le traitement à basse température consomme moins d'énergie que le traitement à haute température, mais la qualité du matériau doit être testée et évaluée pour déterminer s'il peut être utilisé dans le domaine des piles. Si ce n'est pas le cas, le matériau ne peut être utilisé que dans d'autres domaines ou simplement recyclé.

La troisième méthode de recyclage des piles au lithium est la séparation physique. Pour les systèmes de piles simples, tels que le phosphate de fer lithié, l'oxyde de cobalt lithié, l'oxyde de manganèse lithié et les systèmes ternaires, le traitement manuel, bien qu'inefficace, peut réintégrer la chaîne de valeur des piles avec l'électrolyte, le matériau négatif et même le matériau positif, et le reste du matériau est recyclé.

L'une des difficultés du recyclage des piles au lithium est de faire la distinction entre les systèmes et les matériaux des piles au lithium. De nombreux rapports font état du recyclage des piles au lithium selon le principe du recyclage des piles au plomb. Ce n'est pas une bonne idée. Le mélange des deux types de piles peut provoquer des incendies.

C'est pourquoi il est important d'étiqueter les batteries lithium-ion dès le départ, et la Society of Automotive Engineers a élaboré des normes pour le recyclage et l'étiquetage des batteries lithium. Avec l'augmentation du recyclage des piles au lithium, il est de plus en plus important d'établir des normes pour la sécurité des usines et des opérateurs de recyclage des piles au lithium.

Un autre sujet qui mérite d'être abordé dans le cadre du recyclage des piles au lithium est la manière de trouver des matériaux de valeur dans le processus de recyclage. La valeur du recyclage des piles au lithium est directement liée à la valeur du matériau.

Le nickel et le cobalt contenus dans les piles au lithium ionique ont un prix plus élevé et une valeur de récupération plus importante, tandis que le phosphate de fer lithié ou le manganèse ont un prix plus bas, de sorte qu'il ne vaut pas la peine de dépenser des coûts élevés pour récupérer des matériaux de faible valeur. Le recyclage des piles au lithium n'est rentable que si la valeur du matériau recyclé est supérieure au coût du processus de recyclage et inférieure au coût du nouveau matériau.

Deux entreprises dans le monde ont investi beaucoup d'argent dans le recyclage des piles au lithium. Umicore, une entreprise mondiale de matériaux, est un leader dans l'industrie du recyclage des piles au lithium. L'entreprise a investi massivement dans des usines en Allemagne et en Belgique et se prépare à poursuivre son expansion dans le secteur du recyclage des piles au lithium.

Aux États-Unis, le ministère de l'énergie accorde à Toxco $9,5 millions pour développer l'industrie du recyclage des batteries au lithium dans l'Ohio, qui dispose déjà d'usines de recyclage pour les batteries plomb-acide et nickel-hydrure métallique destinées aux véhicules électriques. Toxco est également le leader du marché du recyclage des batteries en Amérique du Nord.

À l'heure actuelle, ces deux entreprises sont les chefs de file de l'industrie du recyclage des piles au lithium et se trouvent dans une position favorable dans l'industrie future du recyclage des piles au lithium.