Le CNRS a récemment mis en ligne un article sur un « nouveau procédé pour recycler les matériaux de batteries Li-ion ». La méthode semble prometteuse, mais n’est pas encore industrialisée. On en profite pour revenir rapidement sur la lithiation, les réactions parasites, la durée de vie et le recyclage des batteries.

Le Centre national pour la recherche scientifique rappelle que la lithiation « est le processus chimique par lequel des ions lithium sont insérés dans la structure cristalline d'un matériau d'électrode lors de la décharge d'une batterie lithium-ion ». Si la lithiation correspond à la décharge, le phénomène inverse a aussi son nom : la délithiation, pendant la charge donc. Pour la petite histoire, la lithiation vient du mot métallation, adapté pour le lithium.

La décharge (lithiation, vous suivez ?) « se produit lorsque la batterie stocke de l'énergie et que les ions lithium se déplacent de l'anode [borne négative, ndlr] vers la cathode [borne positive, ndlr] à travers l'électrolyte ».

Ce processus, réversible, permet de recharger les batteries (les électrons migrent alors de la cathode vers l’anode), puis de les décharger, de les recharger et ainsi de suite.

Parlons sciences a publié un article avec deux schémas (basés sur des images de ser_igor sur iStockphoto) sur le fonctionnement d’une batterie lithium-ion :

Les « réactions parasites » viennent gâcher la fête

Mais il y a des pertes irréversibles plus ou moins importantes au fil du temps et des utilisations. Ce n’est pas un secret, les batteries perdent en capacité. Le lithium peut ainsi être consommé dans des « réactions parasites » durant les cycles de charge et de décharge.

Pour rappel, les cathodes (bornes positives) peuvent utiliser différents matériaux à base de lithium, tandis que les anodes (bornes négatives) sont généralement en graphite. Suivant les composés utilisés, les performances et les usages varient.

Bien évidemment, « les scientifiques cherchent les voies de lithiation les plus efficaces possibles pour régénérer la cathode d’une batterie usagée par compensation des ions lithium consommés par ces réactions parasites ».

Les fabricants de voitures électriques garantissent d’ailleurs les batteries de leurs véhicules à hauteur d’une capacité (autour de 70/80 %) au bout d’un certain temps ou d’une distance parcourue. Tesla annonce par exemple 8 ans ou 160 000 km à 240 000 km selon les modèles (premier terme échu), « avec une rétention minimale de 70 % de la capacité de la batterie ». Dacia annonce « 8 ans ou 120 000 km avec une capacité de charge garantie de 75 % minimum » sur sa Spring.

Les avantages du phosphate de fer lithié LiFePO₄

Le CNRS explique que des chercheurs de l’Institut Charles Gerhardt de Montpellier et du Laboratoire de réactivité et chimie des solides « ont focalisé leurs efforts sur le phosphate de fer lithié LiFePO₄, un des meilleurs matériaux pour les batteries des véhicules électriques ».

Il a en effet plusieurs avantages très intéressants pour les voitures électriques : une « excellente stabilité thermique et chimique », limitant ainsi les risques d'incendie ou d'explosion, « une durée de vie plus longue » et la capacité de stocker « une plus grande quantité d’énergie électrique ». Dernier point et pas des moindres : ce matériau « est plus respectueux de l'environnement, il ne fait pas intervenir de métaux critiques ou nobles et le fer est une ressource abondante ».

« Sans solvant et à température ambiante »

Les chercheurs du CNRS ont développé un procédé de « lithiation révolutionnaire, sans solvant et à température ambiante, en rupture avec les approches traditionnelles très gourmandes en solvants ou énergivores ».

C’est une réaction de type solide-solide, par simple contact entre le phosphate de fer et de l'iodure de lithium (Lil), qui « mène à une lithiation complète et rapide… et écologique ». Dans leur conclusion, les chercheurs parlent tout de même d’une « utilisation minimale de produits chimiques ».

Autre bon point, cette méthode est « particulièrement efficace dans la lithiation d'électrodes usagées, une étape clé pour leur recyclage ». D’ailleurs, « une application évidente de cette méthode réside dans le recyclage direct des matériaux de cathode récupérés à partir de batteries usagées », expliquent les chercheurs dans leur publication.

Sur l’image ci-dessous, on peut voir un résumé du procédé. Le matériau de la cathode est mélangé avec de l'iodure de lithium (Lil) pour donner le phosphate de fer lithié (LiFePO₄), dans des conditions « ambiantes ».

Maintenant, il y a toujours un gap important entre la recherche et l’industrialisation. Le CNRS ne donne d'ailleurs ni délai ni perspective pour ce procédé. Une chose est sûre, le recyclage des batteries est un enjeu crucial et de nombreux laboratoires de recherche travaillent sur le sujet.