Des chercheurs japonais ont mis au point un processus innovant en une seule étape pour régénérer les batteries lithium-ion qui ont perdu de leur capacité en raison de l’épuisement des ions porteurs. Cette méthode de régénération, publiée dans la revue Joule, pourrait réduire considérablement le temps, l’énergie et le coût associés aux processus traditionnels de recyclage des batteries.
La demande croissante de batteries lithium-ion dans l’électronique grand public et les véhicules électriques a suscité des inquiétudes quant à la durabilité de la production et de l’élimination des batteries. Les méthodes de recyclage actuelles consistent à démonter les batteries usagées, à récupérer les matériaux par raffinage hydro- ou pyrométallurgique et à resynthétiser les matériaux des électrodes. Bien que le recyclage direct vise à remettre les matériaux d’électrodes récupérés à l’état actif sans synthèse de matières premières, ces processus requièrent toujours des ressources importantes.
Les batteries lithium-ion peuvent perdre de leur capacité au fil du temps en raison de deux facteurs principaux : l’endommagement de la matière active et la perte d’ions porteurs. Cette dernière est particulièrement fréquente dans les systèmes à température contrôlée utilisés pour les batteries dans les applications à grande échelle. Le nouveau processus de régénération mis au point par les chercheurs japonais cible les batteries dont la capacité s’est dégradée principalement en raison de la perte d’ions porteurs.
Au cours du processus de charge, les ions porteurs Li+ se déplacent de la cathode vers l’anode tandis que les électrons circulent dans la même direction. Certains de ces ions Li+ sont consommés par décomposition réductrice irréversible à l’interface anode graphite/électrolyte, formant un film d’interface solide-électrolyte (SEI). Bien que le film SEI empêche toute décomposition supplémentaire, le cyclage à long terme épuise progressivement les ions Li+ porteurs, ce qui entraîne une réduction de la capacité.
L’approche des chercheurs consiste à utiliser des réactifs de réduction des arénides de métaux alcalins, tels que le naphtalénide de lithium (Li-Naph), pour restaurer la capacité en fournissant à la fois des électrons et des ions Li+ à la cathode. En contrôlant le potentiel de réduction des arénides au-dessus de 1,5 V par l’effet de la constante diélectrique de la solvatation, l’équipe a réussi à démontrer la récupération de la capacité sans dégrader les composants internes de la batterie, en particulier l’anode en graphite.
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Dans des études préliminaires utilisant des cellules laminées à capacité dégradée simulée avec des cathodes LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 (NCM) et des anodes en graphite, les chercheurs ont testé diverses solutions contenant du Li-Naph et des mélanges d’électrolytes. Les résultats les plus prometteurs ont été obtenus en utilisant un mélange de Li-Naph dans du diméthoxyéthane (DME) et un électrolyte de batterie standard. Cette combinaison a permis de récupérer de la capacité sans chute de la tension en circuit ouvert de la cellule ni détérioration des caractéristiques de cyclage.
Les chercheurs ont souligné que l’ajout d’une substance contenant à la fois des électrons et des ions Li+ porteurs est essentiel pour fournir la force motrice de réaction nécessaire à la récupération de la capacité. Même dans les batteries simulées à capacité réduite contenant uniquement de nouveaux ions Li+ porteurs, des cycles répétés sans le réactif de récupération n’ont pas entraîné d’augmentation de la capacité.
(A) flux du cycle de la batterie et comparaison des processus proposés et rapportés.
(B) Le concept de dégradation de la capacité de la batterie et sa récupération sont décrits par le mouvement des ions Li+ porteurs (cercles bleus) entre les profils de potentiel de la cathode NCM et de l’anode graphite.
(C) Mécanisme de don d’électrons et d’ions Li+ pour la récupération de la capacité.
(D) Vue d’ensemble des réactifs considérés dans cette étude pour la récupération de la capacité de la batterie.
Ce processus révolutionnaire de régénération en une seule étape pourrait révolutionner l’industrie du recyclage des batteries en réduisant considérablement la complexité et l’intensité des ressources des méthodes actuelles. En prolongeant la durée de vie des batteries lithium-ion et en minimisant le besoin d’extraction de matières premières, cette innovation pourrait contribuer à une économie du stockage de l’énergie plus durable et plus circulaire.
La demande de batteries lithium-ion continuant d’augmenter, le développement de méthodes de régénération efficaces et rentables sera essentiel pour assurer la viabilité à long terme de cette technologie essentielle. Le processus en une seule étape mis au point par les chercheurs japonais représente une avancée significative à cet égard et offre une solution prometteuse pour restaurer la capacité des batteries dégradées tout en minimisant l’impact sur l’environnement et la consommation de ressources.
(A) Courbes de décharge avant et après l’injection du réactif de récupération et après le repos. Encadré : couleur du réactif de récupération injecté.
(B) Maintien de la capacité avec le cycle après le traitement de récupération.
(C) Variation de potentiel mesurée de Li-Naph en fonction de la concentration.
(D) Effet du réactif de récupération de capacité sur les électrodes NCM et graphite en utilisant 1 M Li-Naph/THF + électrolyte. La ligne pointillée grise indique la quantité maximale théorique de Li à l’électrode NCM.
(E) La relation potentielle du réactif de récupération de capacité avec la cathode et l’anode. Le graphite réagit à environ 0,8 V, y compris la décomposition de l’électrolyte, et par rapport au Li-Naph avec un potentiel d’environ 0,4 V, le transfert de charge se produit du Li-Naph à énergie plus élevée au graphite à énergie plus faible.
