Énergie
Répondre au dilemme des batteries Li-ion : Élimination des cellules de batterie défectueuses dans un monde de plus en plus électrifié
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Il est bien connu que la combustion des combustibles fossiles affecte notre environnement. Composés non seulement de carbone, ces combustibles contiennent également de l’hydrogène, de l’azote et du soufre. Lorsqu’ils sont brûlés, les combustibles fossiles libèrent un mélange de monoxyde de carbone, de dioxyde de carbone et d’eau, ainsi que des oxydes d’azote et de soufre. Ces substances, particulièrement toxiques à fortes concentrations, représentent de graves menaces pour la santé et la sécurité. De façon notable, l’émission de dioxyde de carbone est un contributeur majeur au réchauffement climatique, soulignant l’impact environnemental de la combustion des combustibles fossiles.
La nécessité de s’éloigner des combustibles fossiles a entraîné une demande exponentiellement accrue pour les batteries. En reflétant cette tendance, les chercheurs projettent que la taille du marché mondial des batteries passera de 112 milliards de dollars US en 2021 à 424 milliards de dollars US en 2030. Le marché comprend plusieurs catégories de batteries, telles que le lithium‑ion, le dioxyde de zinc‑manganèse, le plomb‑acide, le nickel‑métal hydrure, le nickel‑cadmium, le sodium‑soufre, le nickel‑zinc, les petites batteries scellées au plomb, les batteries à flux, entre autres.
Cependant, les batteries lithium‑ion et plomb‑acide constituent la majorité du paysage de ce marché des batteries, laissant une longue traîne aux autres catégories.
Si l’on examine la taille du marché de 424 milliards de dollars US pour 2023, plus de 257 milliards de dollars US, soit plus de 60 % de l’ensemble du marché des batteries, seront occupés par les batteries lithium‑ion. Plus de 121 milliards de dollars US, soit 27 % du marché, seront occupés par les batteries plomb‑acide. Ces deux catégories ensemble représentent plus de 87 % du marché, ne laissant qu’environ 13 % aux autres catégories pour se partager.
Où ces batteries sont‑elles déployées ?
Les batteries lithium‑ion se trouvent couramment dans la plupart des appareils électroniques portables qui nous entourent, y compris les téléphones cellulaires et les ordinateurs portables. Elles sont également le choix principal pour la majorité des véhicules tout‑électriques et des hybrides rechargeables (PHEV), qui gagnent du terrain à un rythme très rapide.
Les batteries plomb‑acide, en revanche, ne sont pas aussi efficaces que les batteries lithium‑ion. Elles ont une faible énergie spécifique, ne fonctionnent pas bien à basse température et ont un cycle de vie plus court. Leur utilisation répandue est principalement due à leur faible coût. Cependant, le développement de batteries plomb‑acide avancées est en cours – aujourd’hui – pour une utilisation dans les véhicules commerciaux à propulsion électrique pour les charges auxiliaires.
Les batteries nickel‑métal hydrure sont utilisées dans les ordinateurs et le matériel médical et jouent également un rôle important dans les véhicules hybrides électriques. Avec l’augmentation constante de l’utilisation des appareils électroniques et la hausse continue de la part de marché des véhicules électriques, l’utilisation des batteries devrait invariablement croître.
Cependant, ces batteries ont une durée de vie limitée et doivent finalement être éliminées. Cela représente un défi dans un monde de plus en plus électrifié : l’élimination des cellules de batterie défectueuses. Des solutions existent, mais avant de les explorer davantage, il est crucial d’examiner plus en profondeur la cause fondamentale.
Durée de vie des batteries : un bref aperçu
Les batteries peuvent différer par leur capacité, leur lieu d’utilisation et le matériau dont elles sont composées. Chaque facteur joue un rôle dans la durée de vie d’une batterie. La catégorie de batteries la plus populaire est le lithium‑ion. Et les véhicules électriques sont le secteur d’utilisation qui déploie ces batteries à grande échelle.
Les batteries utilisées par les véhicules électriques ressemblent à celles employées dans nos téléphones mobiles et ordinateurs portables. Elles offrent de nombreux avantages, notamment une énergie élevée par unité de masse et de volume comparée à d’autres systèmes de stockage d’énergie électrique, un rapport puissance‑poids élevé, une haute efficacité énergétique, de bonnes performances à haute température, une longue durée de vie et une faible auto‑décharge.
Les batteries des véhicules électriques utilisent des packs composés de plus de deux mille cellules lithium‑ion individuelles fonctionnant ensemble. Chaque pack de batterie est conçu pour conserver sa capacité de charge‑décharge sur une distance comprise entre 100 000 et 200 000 miles. Et, exprimée en années, la plupart des batteries de véhicules électriques ont une durée de vie estimée entre 15 et 20 ans dans le véhicule.
Les risques liés à l’élimination des cellules de batterie défectueuses
Selon l’Environmental Protection Agency des États‑Unis, la plupart des batteries lithium‑ion seraient classées comme déchets dangereux en vertu du Resource Conservation and Recovery Act (RCRA). Une fois jetées, ces batteries sont souvent inflammables et réactives. Bien qu’elles semblent complètement déchargées et jetables pour l’utilisateur, les batteries Li‑ion conservent fréquemment des charges importantes, constituant ainsi un danger.
De plus, les batteries lithium endommagées et non totalement scellées peuvent être extrêmement dangereuses si elles entrent en contact avec l’eau lors de l’élimination. La teneur importante en métaux des batteries Li‑ion, difficile à éliminer et nocive pour l’environnement, accentue le problème.
Un rapport d’évaluation scientifique a souligné que les batteries Li‑ion contiennent de fortes concentrations d’aluminium, de cobalt et de cuivre. D’autres études révèlent la nature dangereuse des batteries Li‑ion défectueuses en raison de leur teneur en plomb (moyenne 6,29 mg/L ; σ = 11,1 ; limite 5).
Selon la réglementation californienne, la présence de niveaux excessifs de cobalt (moyenne 163 544 mg/kg ; σ = 62 897 ; limite 8 000), de cuivre (moyenne 98 694 mg/kg ; σ = 28 734 ; limite 2 500) et de nickel (moyenne 9 525 mg/kg ; σ = 11 438 ; limite 2 000) qualifie toutes les batteries lithium comme dangereuses.
Les concentrations lixiviées de chrome, de plomb et de thallium dans ces batteries dépassent également les limites de la réglementation californienne. En plus d’entraîner une toxicité pour les humains et l’écosystème qui nous entoure, les batteries Li‑ion provoquent également une épuisement des ressources, une préoccupation grave pour notre avenir.
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Comment recycler les cellules de batterie défectueuses ?
Les dangers posés par l’élimination des cellules de batterie défectueuses nécessitent le recyclage. Cependant, recycler une batterie défectueuse peut être dangereux. Une manipulation inappropriée des cellules de batterie défectueuses peut provoquer des courts‑circuits, des incendies et libérer des gaz toxiques.
La clé réside dans des méthodes de recyclage efficaces, qui pourraient non seulement prévenir la pollution mais aussi créer des opportunités de générer un flux secondaire durable de matériaux critiques. Une telle méthode efficace de recyclage des batteries lithium‑ion a été mise au point par des chercheurs du Oak Ridge National Library du Département de l’Énergie.
La solution implique de tremper la batterie usée dans une solution d’acide citrique naturellement présent dans les agrumes. La solution d’acide citrique est dissoute dans de l’éthylène glycol, et le mélange facilite un processus de séparation et de récupération hautement efficace pour séparer les métaux de la cathode, l’électrode positive de la batterie.
Un processus de récupération efficace de la cathode signifie une réduction des coûts des batteries, car la cathode représente plus de 30 % du coût de la batterie, en raison de sa teneur en matériaux critiques. La méthode de recyclage pourrait extraire presque tout le cobalt et le lithium de la cathode sans rendre le système impur. Elle peut récupérer plus de 96 % du cobalt en quelques heures. Il n’est pas nécessaire d’ajouter davantage de produits chimiques pour équilibrer manuellement les niveaux d’acide.
Selon Lu Yu, le chercheur principal du projet :
« C’est la première fois qu’un système de solution couvre à la fois les fonctions de lixiviation et de récupération. »
En dehors de ces efforts de recherche en laboratoire, qui seront mis à l’échelle de la production à l’avenir, plusieurs entreprises ont déjà entrepris le recyclage des batteries lithium‑ion défectueuses et éliminées. Nous examinerons certaines d’entre elles dans les sections suivantes.
1. American Battery Technology Company
La American Battery Technology Company (ABAT ) a mis au point un processus de recyclage de batterie en boucle fermée pour séparer et récupérer les matériaux critiques des batteries approchant la fin de leur durée de vie utile. Cependant, leurs efforts ne s’arrêtent pas à la séparation et à la récupération.
Le processus consiste à purifier ces métaux de batterie selon les mêmes spécifications de qualité ou des spécifications supérieures. Selon l’entreprise, son système offre de multiples avantages concurrentiels. Sa conception stratégique garantit l’absence d’opérations à haute température et empêche les émissions de polluants atmosphériques et liquides. De plus, les installations de recyclage correspondent au débit des installations de fabrication, générant peu de déchets et nécessitant des coûts d’investissement faibles pour leur mise en place.
ABAT Graphique du prix
Le rapport financier du premier trimestre 2024, publié par l’entreprise, a répertorié ses principales étapes vers des opérations génératrices de revenus. Notamment, l’entreprise a conçu, mis en service et lancé les opérations de sa première installation de recyclage à l’échelle commerciale, affichant un débit nominal de 20 000 tonnes métriques par an.
L’entreprise a également obtenu deux subventions du DOE américain dans le cadre d’un contrat et est récemment devenue éligible à deux subventions supplémentaires, totalisant 70 millions de dollars US en fonds fédéraux contractés. Elle a réussi à inscrire ses actions et a commencé à être cotée au Nasdaq le 21 septembre 2023.
Au moment de la rédaction, le cours de l’action de l’American Battery Technology Company était de 3,99 $ et sa capitalisation boursière dépassait 188 millions de dollars.
2. Lithion Technologies
Lithion Technologies produit durablement des matériaux stratégiques à partir de batteries Li‑ion. Sa technologie est capable de récupérer jusqu’à 95 % des composants de ces batteries.
Dans l’extraction mécanique, Lithion peut récupérer plus de 98 % du concentré minéral. Le concentré de minéraux critiques est ensuite traité grâce à sa technologie hydrométallurgique brevetée. Ce processus permet la récupération de matériaux essentiels tels que le lithium, le cobalt, le nickel, le graphite et le manganèse.
Remarquablement, Lithion affirme que ses technologies entraînent un impact environnemental nettement moindre comparé à l’extraction minière traditionnelle. Ses émissions de GES sont 75 % inférieures à celles de l’extraction minière, et elle réduit en outre la consommation d’eau de 90 %.
En avril 2022, Lithion a reçu un financement de 22,5 millions de dollars de la part du gouvernement du Québec, incluant un investissement en actions de 15 millions dans le capital de l’entreprise via Investissement Québec et 7,5 millions de dollars en subventions du Fonds d’électrification et de changements climatiques.
3. Ecobat
Ecobat opère à travers un vaste réseau de 65 000 points de collecte pour gérer les batteries en fin de vie dans le cadre de ses solutions de recyclage du stockage d’énergie. Elle a déjà rassemblé près de 15 000 membres ou clients, recyclant 120 millions de batteries par an.
Pour la collecte depuis les points désignés, Ecobat dispose de sa propre flotte de 100 véhicules. Avec 11 installations de fusion, elle traite les batteries lithium, les batteries plomb‑acide et d’autres chimies de batteries. Ecobat possède également un processus de récupération circulaire en boucle fermée, où 80 % de sa récupération retourne à la fabrication de batteries. Elle promet également un taux de recyclabilité de 99 %.
Ecobat se décrit comme le plus grand « recycleur de batteries au monde » qui répond aux besoins essentiels de stockage d’énergie en rendant le secteur des batteries plus sûr et plus durable pour une économie d’énergie circulaire. En 2021, l’activité de recyclage de batteries plomb‑acide d’Ecobat a recyclé intégralement 70 millions de batteries de voitures.
4. Cirba Solutions
Cirba Solutions cumule 60 ans d’expérience combinée en recyclage avec trois marques – Battery Solutions, Heritage Battery Recycling et Retriev Technologies – sous son égide. Elle est l’une des pionnières du recyclage des batteries lithium, disposant de sa propre équipe de recyclage, d’une logistique centrée sur les batteries, d’un cycle de vie en boucle fermée et d’installations de traitement du lithium.
L’entreprise possède un processus de recyclage spécialisé impliquant des solutions inter‑chimies pour les constituants à base de cobalt et ceux sans cobalt. À ce jour, elle a traité plus de 36 millions de livres de lithium‑ion depuis plus de 30 ans.
Selon les dernières données disponibles, Cirba a levé 50 millions de dollars US lors de son dernier tour de financement le 9 février 2023.
Élimination des cellules de batterie défectueuses : perspectives futures
La présence des batteries lithium‑ion, essentielles pour alimenter les véhicules électriques et les appareils électroniques modernes, ne fera que devenir de plus en plus omniprésente. Statistiquement, entre 2022 et 2030, la demande mondiale de batteries lithium‑ion augmentera près de sept fois, atteignant 4,7 TWh en 2030.
En termes de production, la Chine domine plus des trois quarts de la capacité mondiale. L’Amérique du Nord et l’Europe ne tarderont pas à rattraper, car elles envisagent également une augmentation significative de la production. C’est pourquoi des efforts mondiaux consolidés et bien coordonnés seront nécessaires pour garantir que le recyclage des batteries devienne un processus accessible et durable, et ce n’est qu’alors que nous pourrons sauver le monde des risques de pollution et d’épuisement des ressources.
La Chine, par exemple, tient les constructeurs automobiles responsables du « traitement en fin de vie » des batteries de véhicules. L’Union européenne n’est pas loin derrière, ayant également établi des normes pour la collecte et la récupération des batteries.
De plus en plus d’innovations dans les applications de seconde vie de ces batteries aideront à éviter les dangers imminents d’un recyclage inefficace. Terminons en examinant un tel exemple. Un système de stockage d’énergie à la Johan Cruijff Arena, Amsterdam, exploite l’équivalent de 148 batteries Nissan LEAF neuves et usagées pour capter l’énergie de 4 200 panneaux solaires et stocker jusqu’à 3 mégawatts de puissance. Cette capture suffit à recharger, en secours, un demi‑million d’iPhones.
En conclusion, atteindre les objectifs à l’échelle mondiale nécessite la participation active de tous. Les entreprises automobiles, les fabricants d’électronique grand public, les instances économiques mondiales, les conseils de nations – tous devront prêter leur voix au recyclage durable et efficace ainsi qu’à la récupération des cellules de batterie défectueuses.
