SMM Actualités du 21 février :
Une équipe de recherche de l'Université Gadjah Mada en Indonésie et d'autres institutions se consacre à l'exploration de méthodes innovantes pour récupérer le lithium des batteries lithium-ion usagées. Les chercheurs ont réussi à atteindre un taux de récupération de lithium allant jusqu'à 95,7 % avec une sélectivité de 100 % à partir de batteries ternaires en combinant la réduction carbothermique et la lixiviation à l'eau dans des conditions atmosphériques.
Actuellement, le marché mondial des véhicules électriques (VE) continue de croître, et deux types de batteries lithium-ion dominent le secteur. Parmi elles, les batteries ternaires sont bien connues pour leur haute densité énergétique et leur aptitude aux VE longue distance, tandis que les batteries LFP sont prisées pour leur grande sécurité, leur bonne stabilité et leur rentabilité. Cependant, la composition complexe et diversifiée des batteries lithium-ion usagées pose des défis importants pour le recyclage. En particulier, les différences de composition entre les batteries ternaires et les batteries LFP augmentent encore la complexité du processus de recyclage. Cette étude se concentre sur l'utilisation de la lixiviation à l'eau atmosphérique pour extraire sélectivement le lithium de la masse noire des batteries ternaires, répondant ainsi aux principaux défis du processus de recyclage.
Les chercheurs ont collecté des cathodes de batteries ternaires et LFP usagées auprès de sources locales de recyclage et ont extrait la masse noire comme matériau principal pour le traitement. Par la suite, un traitement carbothermique a été effectué sur différents mélanges de masse noire (allant de pur ternaire à un ratio 50:50 de ternaire et LFP, avec des températures de traitement fixées entre 750 et 950°C) et testé à des vitesses de chauffage de 5°C, 10°C et 15°C par minute. Après le traitement carbothermique, une lixiviation à l'eau a été réalisée sur la masse noire pour évaluer l'efficacité de la récupération du lithium.
Pour analyser le processus en profondeur, les chercheurs ont utilisé diverses méthodes analytiques. La composition élémentaire a été détectée par spectroscopie d'émission à plasma à couplage inductif ; les phases et la composition ont été déterminées par diffraction des rayons X ; la morphologie de surface et la distribution des éléments ont été étudiées par microscopie électronique à balayage et spectroscopie à dispersion d'énergie des rayons X ; les groupes fonctionnels dans les composés ont été explorés par spectroscopie Raman ; et une analyse thermogravimétrique a été réalisée dans une plage de températures de 30 à 1 200°C pour surveiller en temps réel les changements de chaleur et de masse pendant le processus de réduction carbothermique.
L'étude a révélé que la vitesse de chauffage pendant le processus carbothermique affecte significativement les taux de récupération du lithium lors de la lixiviation à l'eau. Plus précisément, les taux de récupération du lithium diminuent à mesure que la vitesse de chauffage augmente, avec le taux de récupération le plus élevé de 92,06±0,42 % atteint à une vitesse de chauffage de 5°C/min. Cela s'explique par le fait que des vitesses de chauffage plus élevées perturbent l'uniformité de la réaction de réduction, entraînant une distribution inégale de la température au sein des particules et la formation de composés résiduels de lithium insolubles.
La température cible impacte également l'efficacité de la réduction carbothermique. À mesure que la température augmente, les taux de récupération du lithium montrent une tendance à la baisse. Bien que l'analyse thermogravimétrique indique une réduction accrue des métaux à des températures plus élevées, le lithium devient intégré dans les phases d'alliage Ni-Co formées à ces températures, ce qui entraîne une diminution des taux de récupération du lithium. Les résultats de diffraction des rayons X ont également confirmé la présence de ces phases d'alliage, qui entravent l'extraction du lithium lors du processus de lixiviation.
L'analyse TGA a révélé des changements de masse significatifs pendant la réduction carbothermique de la masse noire mixte LFP-ternaire, indiquant des réactions potentielles ou des transformations de phase/structure dans le matériau solide. De plus, à mesure que la proportion de LFP dans la masse noire mixte augmente, les taux de récupération du lithium diminuent progressivement, en particulier lors de la réduction carbothermique à 950°C. En outre, les changements de température de traitement ont un impact relativement mineur sur la récupération du lithium à partir des mélanges ternaires-LFP. Cela suggère que les principaux défis du processus de réduction carbothermique de la masse noire mixte des batteries ne proviennent pas des conditions opérationnelles, mais des réactions chimiques entre les composants, qui génèrent des composés résistants à la lixiviation à l'eau.
L'étude démontre que la combinaison de la réduction carbothermique et de la lixiviation à l'eau atmosphérique est une méthode efficace pour récupérer le lithium de la masse noire mixte des batteries ternaires-LFP. Dans des conditions optimisées (950°C, vitesse de chauffage de 15°C/min, durée de traitement de 2 heures), l'efficacité de récupération du lithium à partir de la masse noire ternaire pure a atteint 95,7±0,31 %, avec une pureté de 100 %.
Cependant, lorsqu'une quantité égale de LFP est ajoutée à la masse noire ternaire, le processus de récupération est perturbé, et les taux de récupération du lithium chutent considérablement à 9,78±0,44 %. Cela est dû à la formation de Li3PO4 insoluble dans l'eau et à l'encapsulation du lithium dans des matrices d'alliages Fe-Ni-Co et Ni-Co.
Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont ajouté du carbonate de sodium pendant le processus de réduction carbothermique pour supprimer la formation de Li3PO4. Cet ajustement a permis d'augmenter les taux de récupération du lithium à 59,47 %, tout en maintenant une pureté de 100 % en convertissant le lithium en carbonate de lithium stable. Ces résultats suggèrent que dans les applications pratiques de recyclage, l'ajout d'additifs carbonatés et l'ajustement raisonnable des conditions de processus pourraient améliorer l'efficacité de récupération du lithium.
Équipe de recherche sur les nouvelles énergies de SMM
Cong Wang 021-51666838
Rui Ma 021-51595780
Disheng Feng 021-51666714
Ying Xu 021-51666707
Yanlin Lü 021-20707875
Yujun Liu 021-20707895
Xiaodan Yu 021-20707870
Zhicheng Zhou 021-51666711
He Zhang 021-20707850
