Éliminer le plomb du recyclage des batteries au lithium

Quand vient ce matin fatidique où votre voiture ne rugit plus d'un simple tour de clé, mais gémit plutôt de mécontentement face au triste état du système électrique de votre véhicule, votre cap est clair : vous avez besoin d'une nouvelle batterie. Que vous le fassiez vous-même ou – périssez l'idée – confiez le travail à quelqu'un d'autre, le résultat final est le même. Vous obtenez une nouvelle batterie au plomb, et l'ancienne est emportée pour être broyée et transformée en une nouvelle batterie dans un système en boucle fermée presque parfait.

Comparez cela à ce qui arrive à la batterie de votre ordinateur portable lorsqu'elle rend enfin l'âme. Certains d'entre nous ouvriront le pack, trouveront probablement la mauvaise cellule et répareront le pack ou réutiliseront les bonnes cellules. Mais la plupart des batteries au lithium mortes sont jetées à la poubelle ou placées dans des bacs de recyclage bleus avec les meilleures intentions, mais finissent généralement à la décharge de toute façon.

Pourquoi la différence entre les batteries au plomb et au lithium ? Qu'en est-il de ces deux technologies apparemment similaires qui expliquent pourquoi une batterie peut avoir 98 % de son matériau recyclé, tandis que l'autre est moins chère à jeter ? Et quelles sont les implications sur la route, lorsque les batteries des véhicules électriques commencent à entrer dans le flux de déchets en vrac ?

Comprendre la disparité entre le recyclage des batteries plomb-acide et lithium-ion se résume à deux facteurs majeurs : le temps et la chimie. Du côté temporel de l'équation, considérez que la grosse batterie sous votre capot est une technologie assez ancienne. Les batteries au plomb existent depuis aussi longtemps que les voitures, et plus encore. En tant que tels, ils ont plus d'un siècle d'avance sur leurs cousins ​​au lithium en termes d'infrastructure. Nous utilisons ces éléments depuis toujours et nous avons vraiment intégré leur gestion du cycle de vie. Du berceau à la tombe et retour au berceau, les batteries au plomb bénéficient d'un système de fabrication et de distribution étendu et hautement intégré, que l'industrie du lithium-ion n'a tout simplement pas encore eu le temps de développer. L'infrastructure plomb-acide va jusqu'à utiliser souvent exactement les mêmes camions qui livrent les batteries aux détaillants pour le voyage de retour au recycleur.

Le temps joue également un rôle via le renouvellement rapide des batteries automobiles. La batterie de voiture moyenne dure environ quatre ans, plus ou moins, et comme la durée de vie moyenne d'une voiture est maintenant d'environ onze ans, chaque voiture verra probablement trois batteries ou plus au cours de sa durée de vie. Pour les véhicules électriques et hybrides, la batterie est conçue pour durer à peu près la durée de vie du véhicule, donc à moins d'accidents qui rendent le véhicule enroulé autour d'eux inutile, les batteries lithium-ion n'entreront tout simplement pas dans le flux de recyclage presque aussi souvent que les batteries plomb-acide. Ceci est quelque peu annulé par le nombre de batteries lithium-ion provenant de produits de consommation tels que les ordinateurs portables et les outils électriques ; ceux-ci entrent dans le flux de déchets beaucoup plus rapidement que les batteries lithium-ion des véhicules électriques et hybrides. Mais ces chiffres sont une erreur d'arrondi dans l'équation par rapport au nombre de batteries au plomb recyclées chaque jour.

Quant à la chimie, plus le mélange de matériaux dans un objet est simple, plus il est facile à recycler. Les canettes en aluminium, qui ne sont que de l'aluminium et de la peinture, sont incroyablement faciles à récupérer avec l'ajout d'un peu de chaleur. Les batteries au plomb ne sont pas si simples, mais elles sont proches : juste du plomb, de l'oxyde de plomb et de l'acide sulfurique dans un boîtier en plastique. Chaque matériau de la batterie a un chemin simple de l'ancien au nouveau : les plaques de plomb fondent facilement à basse température et peuvent être facilement purifiées, idem pour le PVC qui constitue généralement le boîtier de la batterie, et l'électrolyte d'acide sulfurique peut être soit dilué et éliminés comme des eaux usées, ou les sulfates peuvent être récupérés pour fabriquer de nouveaux électrolytes ou utilisés dans la production d'autres articles de consommation, tels que des savons.

Les batteries au lithium, en revanche, ont des chimies beaucoup plus compliquées et un mélange de matériaux qui ne fonctionnent pas bien ensemble dans un processus de recyclage industriel. Une batterie lithium-ion n'est pas seulement du lithium, mais aussi du cobalt, du manganèse, du phosphate de fer ou des composés de nickel, sans parler de l'aluminium, du cuivre et du graphite. Non seulement le mélange de métaux est plus compliqué, mais leur forme physique sous forme de poudres enduites sur une feuille de métal rend la récupération de chaque composant beaucoup plus compliquée que de simplement le jeter dans un four.

L'électrolyte dans une batterie au lithium est également beaucoup plus compliqué, composé de sels de lithium dans des solvants organiques volatils comme le carbonate d'éthylène. Cela rend également les électrolytes libérés beaucoup plus difficiles à gérer; aucune simple dilution et neutralisation avec une solution basique comme le bicarbonate de sodium ne rendra ces composés suffisamment sûrs pour être rejetés dans un égout comme c'est le cas pour le recyclage du plomb-acide. Faire face à cela augmente le coût du recyclage et réduit le profit potentiel.

Le processus mécanique de recyclage est également beaucoup plus facile pour les batteries au plomb. Dans les usines de recyclage les plus avancées, les batteries de voitures usagées peuvent littéralement être jetées dans un broyeur entier, qui pulvérise les boîtiers en plastique, libère l'électrolyte et déchiquette les entrailles. De l'eau de traitement est ajoutée pour diluer l'acide sulfurique et éliminer les morceaux de plastique, qui peuvent être écrémés tout en laissant couler les pièces en plomb. Tout a son propre chemin physique à travers le processus, et les mains humaines n'ont jamais besoin de toucher les piles, ce qui en fait un processus très économique qui évolue bien. Et même lorsque le processus n'est pas entièrement automatisé, le nombre limité de formes et de tailles de batteries, couplé à leur taille relativement importante, facilite l'orientation des batteries pour un démontage rapide.

Comparez cela à la manipulation d'une batterie lithium-ion. Le facteur de forme pour ceux-ci pourrait aller d'une batterie d'ordinateur portable à une vieille batterie de perceuse-visseuse aux entrailles d'un véhicule électrique détruit. Alors que la plupart d'entre eux seront chargés avec des cellules comme le 18650, chacun différera en taille et en forme, et le nombre et l'orientation des cellules dans le pack varieront énormément. La plupart des packs auront également une sorte de circuit imprimé à l'intérieur, ce qui nécessite une étape distincte pour être libéré et doit entrer dans un flux de recyclage différent. Au moins pour l'instant, cela fait du démontage des packs lithium-ion le travail de mains humaines, ce qui en fait une proposition coûteuse qui évolue mal.

Les différences entre l'effort nécessaire pour recycler les batteries plomb-acide et lithium-ion déterminent l'économie globale du processus. Si vous regardez le prix du lithium (17 000 $/tonne) versus le plomb (2 600 $/tonne), il semblerait que le recyclage du lithium serait plus rentable. Mais si vous ne pouvez pas extraire efficacement le lithium des batteries, peu importe combien cela rapporterait. Pour les recycleurs, la proposition de valeur est fortement biaisée en faveur du plomb, où d'énormes volumes de matières premières et des méthodes d'extraction faciles font du recyclage une entreprise rentable. Et cela sans parler des dangers liés au mélange des batteries au lithium dans le flux de recyclage du plomb-acide.

Tout cela conduit au triste constat qu'actuellement, 97% des batteries lithium-ion ne sont pas recyclées. Avec un énorme nouvel apport de batteries déchargées sur le point d'atteindre le flux de déchets alors que les premières générations de véhicules électriques et hybrides atteignent la fin de leur durée de vie, ce sera un problème auquel nous devrons bientôt faire face. Le fait que le lithium et le cobalt proviennent de régions politiquement instables du monde contribuera probablement à fausser l'économie du recyclage de sorte qu'il est plus logique de récupérer les minerais plutôt que de les confier dans un état inutilisable au sol d'où ils proviennent. Les choses vont probablement changer, mais pour l'instant, les batteries lithium-ion sont une technologie sans issue.