Batteries recyclées : deux fois plus de cycles, en laboratoire

Une batterie arrivée en fin de vie est, pour l'essentiel, un problème qu'on expédie ailleurs. Des chercheurs de la Worcester Polytechnic Institute veulent en faire une source de composants pour une nouvelle batterie. Dans une étude publiée dans Advanced Energy Materials, une équipe dirigée par le professeur Yan Wang a transformé des déchets de batteries mélangés en matériaux valorisés pour la cathode comme pour l'anode, puis a assemblé à partir d'eux des cellules souples « pouch » (batteries plates et scellées) qui ont duré plus longtemps que des cellules fabriquées avec des matériaux commerciaux.

La pression qui sous-tend ces travaux est facile à résumer. À mesure que l'usage des batteries lithium-ion progresse, la demande en matériaux critiques et le volume de batteries usagées augmentent eux aussi. Beaucoup de méthodes de recyclage actuelles se concentrent sur la récupération de la cathode, et les déchets de batteries mélangés sont difficiles à transformer en produits à forte valeur. L'équipe a donc cherché à améliorer à la fois la cathode et le graphite récupérés de ces déchets, plutôt que de s'arrêter aux matières premières.

Le procédé se déroule en deux étapes. Un matériau de cathode mélangé et pauvre en nickel est converti en une cathode haute performance appelée NMC622, tandis que le graphite récupéré est purifié et modifié pour devenir un matériau d'anode de qualité batterie. Les tests ont révélé une meilleure circulation des ions lithium et une stabilité accrue en cyclage pour la cathode, ainsi qu'une cinétique interfaciale améliorée et une durabilité supérieure pour l'anode en graphite. Lorsque l'équipe a assemblé des cellules souples complètes avec ces seuls éléments valorisés, celles-ci ont présenté moins de réactions parasites et une durée de vie en cycles environ deux fois supérieure à celle des cellules construites avec des matériaux commerciaux, avec 70 % de leur capacité conservée après 2 590 cycles.

L'équipe a également estimé ce que cette voie pourrait représenter hors du laboratoire. Selon ses analyses, elle pourrait valoriser plus de 95 % des matériaux de déchets, augmenter la rentabilité de 22,9 %, et réduire les émissions de gaz à effet de serre de 27 % et la consommation énergétique de 29,4 % par rapport à la filière de recyclage de référence. Il s'agit d'estimations issues des analyses des chercheurs, et non de mesures sur une installation en exploitation ; l'étude ne fournit ni coûts ni calendrier pour une utilisation industrielle.

Pour les recycleurs, le gain serait de transformer des déchets difficiles à vendre en composants que les fabricants de batteries peuvent utiliser directement. Pour les constructeurs, cela ouvre la voie à un approvisionnement plus circulaire, qui demande moins de ressources et moins d'énergie pour produire de nouveaux matériaux. Les auteurs décrivent une trajectoire allant au-delà de la simple récupération de matières premières, vers la fabrication de batteries performantes à partir de déchets complexes. Savoir si cette voie atteindra les usines, et à quelle vitesse, dépendra d'essais hors laboratoire que l'étude ne présente pas encore.