Recyclage des batteries lithium-ion

Le recyclage des batteries lithium-ion (Li-ion) implique la collecte et le tri des batteries usagées, leur décharge pour garantir la sécurité, puis leur démontage pour séparer les composants. Les cellules sont écrasées et déchiquetées, le matériau obtenu est tamisé et trié afin d'isoler les éléments précieux. 

La fine substance poudreuse résultant des processus de broyage et de tamisage est appelée « masse noire ». Elle contient des métaux précieux tels que le lithium, le cobalt, le nickel et le manganèse. Cette masse noire est soumise à un traitement ultérieur par des méthodes hydrométallurgiques (lixiviation, extraction par solvant et précipitation) ou des méthodes pyrométallurgiques (fusion et raffinage) pour récupérer ces métaux. 

Des techniques de recyclage plus efficaces impliquent souvent des approches hybrides associant la pyrométallurgie et l'hydrométallurgie. Les métaux récupérés sont ensuite réutilisés pour produire des matériaux d'électrode pour les nouvelles batteries.

Cependant, le recyclage de la masse noire peut s'avérer difficile, notamment parce que les batteries lithium-ion ne sont pas toutes identiques. Plus précisément, il existe deux types de produits chimiques principaux : NMC (nickel, manganèse, cobalt) et LMFP (lithium-manganèse-phosphate de fer). Le type NMC contient des variantes telles que NCM111, NMC622, NMC811, etc., où la valeur numérique indique le pourcentage atomique relatif de chaque élément. De même, le type LMFP peut contenir une quantité variable de manganèse. La composition chimique variable nécessite que la masse noire soit correctement caractérisée et classée avant d'être mise en phase de recyclage.

Cette composition chimique variable signifie qu'il y a souvent un contrôle limité sur les types de batteries entrant dans le recyclage des batteries lithium-ion. Par conséquent, tout procédé de traitement pour le recyclage des batteries doit inclure une évaluation de la composition chimique et des phases cristallines des batteries entrantes. Nos solutions basées sur les rayons X et les neutrons peuvent vous aider dans ce processus, en analysant à la fois la composition chimique et la phase cristalline. 

En outre, l'efficacité du processus de lixiviation hydrométallurgique peut être évaluée à l'aide de nos solutions XRF en ligne et en laboratoire, y compris l'analyse des impuretés incorporées. En outre, nos granulomètres peuvent être utilisés pour déterminer la taille des particules tout au long du processus de recyclage, de la masse noire aux produits finis.

La composition élémentaire de la masse noire extraite peut être analysée en ligne avec notre analyseur sur bande transporteuse CNA ou hors ligne avec notre gamme de systèmes XRF. 

Analyse élémentaire en ligne sur bande transporteuse : la composition chimique variable des batteries recyclées signifie que la masse noire extraite est un matériau hétérogène, ce qui fait que l'analyse en laboratoire d'un petit échantillon n'est pas représentative de l'ensemble du matériau. Les analyseurs sur bande transporteuse en ligne peuvent analyser la masse noire extraite à l'échelle industrielle et fournir une composition moyenne de l'ensemble du matériau. Notre analyseur sur bande transporteuse CNA Pentos, basé sur la technologie d'activation thermique/neutronique à pulsations rapides (PFTNA), offre une mesure directe de tous les éléments clés tels que Ni, Co, Mn, Fe, P, etc. dans la masse noire entrante. 

Le CNA fournit une analyse élémentaire en ligne à haute fréquence des matériaux en vrac sur la bande. Aucun échantillonnage n'est nécessaire car les matériaux sont mesurés en temps réel sur la bande transporteuse. Sa conception compacte et robuste se trouve entièrement sous la bande. Les variations de charge de la bande et de la taille des particules courantes dans la masse noire extraite n'affectent pas les performances du système. Cette caractéristique fondamentale de la conception contribue à la stabilité et à la représentativité pour un contrôle efficace des procédés.

La fluorescence X (XRF) est une autre technique qui peut être utilisée pour analyser la masse noire en laboratoire ou à proximité du processus. La fluorescence des rayons X (XRF) soutient de manière significative le processus de recyclage des batteries en fournissant une analyse rapide et précise de la composition élémentaire des batteries usagées avec une grande précision. Sa haute précision permet aux recycleurs d'identifier et de quantifier des matériaux précieux tels que le lithium, le cobalt, le nickel et le manganèse, optimisant ainsi le processus de récupération. Il peut également surveiller la qualité des matériaux récupérés, en s'assurant qu'ils répondent aux spécifications de réutilisation. De plus, XRF détecte les éléments dangereux, facilitant ainsi une manipulation et une élimination en toute sécurité.

Pour les éléments majeurs, le XRF constitue un moyen plus simple et plus précis de mesurer la composition élémentaire que l’ICP, car il ne nécessite aucune dilution d’échantillon ni digestion acide.

De nombreux grands fabricants de batteries utilisent nos spectromètres de table Epsilon 4 EDXRF ou Zetium WDXRF pour analyser leurs matériaux recyclés. Nous avons également introduit la gamme Revontium d'EDXRF haute performance capable d'analyser les éléments et les impuretés de la masse noire avec une grande exactitude et précision.

La précision d'une analyse XRF dépend de la qualité des étalons. Malvern Panalytical a développé ses propres étalons certifiés qui, associés aux systèmes de fusion d'échantillons Eagon 2 ou FORJ, constituent une recette parfaite pour une analyse élémentaire quantitative précise. 

Figure 1 (droite) : droite d'étalonnage type pour le nickel (Ni) utilisant nos étalons de référence NCM, mesurée sur notre spectromètre XRF Epsilon 4. 

L'analyse de la composition élémentaire des solutions lixiviées de la cadre de l'extraction hydrothermique peut fournir des informations précieuses sur l'efficacité de l'extraction des métaux. Celle-ci peut être analysée en ligne avec notre gamme Xflow d'analyseurs XRF. 

L'analyse de liquide en ligne assurée par le système Epsilon Xflow permet un contrôle rapide et précis des paramètres de votre processus. 

Le système Epsilon Xflow fournit des données en temps réel, ce qui vous permet de gérer vos processus de production plus efficacement et de réduire vos coûts d'exploitation.

Le procédé de prétraitement du recyclage des batteries peut également être affecté par la phase cristalline des matériaux des batteries. Et en matière d'analyse de phase cristalline, la diffraction des rayons X est la technique de choix. Notre diffractomètre à rayons X compact Aeris est un instrument simple d'utilisation, doté d'une qualité de données exceptionnelle. Il peut être utilisé pour analyser avec précision la composition de la phase cristalline dans la masse noire et les matériaux de batteries recyclées. 

Figure 2 : Analyse XRD caractéristique des phases cristallines de masse noire mesurée sur notre diffractomètre Aeris.

La taille et la forme des particules jouent un rôle important tout au long de la chaîne de valeur du recyclage des batteries, de la masse noire aux produits finis. La masse noire doit être broyée jusqu'à une certaine taille de particules pour permettre une lixiviation efficace des métaux pendant l'extraction hydrothermique. 

De nombreuses sociétés de recyclage produisent des matériaux précurseurs ou d'électrodes de batteries comme produit final, la taille et la forme des particules étant des paramètres de qualité essentiels.