Recyclage électrochimique du lithium avec production d'électricité
Contexte académique
Avec la transition mondiale vers une société bas carbone, la demande de batteries lithium-ion (LIBs) en tant que technologie de stockage d’énergie cruciale a rapidement augmenté. Cependant, la limitation des ressources en lithium et le traitement des batteries usagées posent des problèmes croissants. Les méthodes traditionnelles de recyclage du lithium (telles que la récupération pyrométallurgique, la réclamation hydrométallurgique et la régénération directe) bien qu’efficaces, présentent des problèmes de consommation énergétique élevée, d’utilisation importante de réactifs chimiques et de pollution environnementale. Ainsi, le développement d’une technologie de recyclage du lithium efficace, écologique et économique est devenu un objectif de recherche prioritaire.
Une équipe de recherche de l’Université des Sciences et Technologies de Chine a proposé une nouvelle méthode électrochimique permettant de recycler le lithium à partir de batteries lithium-ion usagées tout en capturant le dioxyde d’azote (NO₂) des gaz d’échappement, générant ainsi de l’électricité et du nitrate de lithium (LiNO₃) de haute pureté. Cette méthode résout non seulement le problème du recyclage des ressources en lithium, mais offre également une nouvelle solution pour le traitement des gaz d’échappement.
Source de l’article
Cet article a été rédigé par une équipe de recherche du Département de Chimie Appliquée de l’Université des Sciences et Technologies de Chine, avec comme principaux auteurs Weiping Wang, Zaichun Liu, Zhengxin Zhu, entre autres. L’article a été publié en mars 2025 dans la revue Nature Sustainability sous le titre “Electrochemical lithium recycling from spent batteries with electricity generation”.
Processus de recherche
1. Conception de l’étude et méthodes expérimentales
L’équipe de recherche a conçu un système intégré combinant le recyclage du lithium et la capture de NO₂. Ce système comprend les étapes clés suivantes :
- Préparation de l’électrode de recyclage du lithium : Utilisation d’une électrode de lithium fer phosphate (LiFePO₄, LFP) usagée comme source de lithium, et d’une toile de carbone comme électrode de réduction du NO₂.
- Réactions électrochimiques : Dans une cellule électrochimique, l’électrode LFP libère des ions lithium (Li⁺) par une réaction de délitiation, tandis que le NO₂ est réduit en nitrite (NO₂⁻) sur l’électrode en toile de carbone.
- Génération des produits : Les ions Li⁺ se combinent avec les ions NO₂⁻ pour former du nitrite de lithium (LiNO₂), qui est ensuite oxydé à l’air en LiNO₃ de haute pureté.
- Production d’électricité : Tout au long du processus, le système génère de l’électricité, réalisant ainsi une autosuffisance énergétique.
2. Validation expérimentale
L’équipe de recherche a validé la faisabilité et l’efficacité de cette méthode à travers une série d’expériences :
- Test de production d’énergie : À une densité de courant de 0,1 mA/cm², le système a produit de manière stable une tension de 0,4 V, avec une efficacité de recyclage du lithium atteignant 96,23 %.
- Analyse des produits : La génération de LiNO₃ a été confirmée par diffraction des rayons X (XRD) et microscopie électronique à balayage (SEM), tandis que la présence de NO₂⁻ a été vérifiée par spectroscopie UV-Vis.
- Test de stabilité du système : Après huit utilisations consécutives, l’efficacité de recyclage du lithium est restée autour de 97 %, démontrant une stabilité élevée du système.
3. Analyse technico-économique
L’équipe de recherche a comparé la consommation d’énergie, les émissions de carbone et les avantages économiques de cette méthode avec ceux des méthodes traditionnelles de recyclage du lithium. Les résultats montrent que cette méthode est nettement supérieure en termes de consommation d’énergie et d’émissions de carbone, avec un bénéfice net de 2,41 dollars par kilogramme de LFP traité.
Principaux résultats
- Haute efficacité de recyclage du lithium : À une densité de courant de 0,1 mA/cm², l’efficacité de recyclage du lithium atteint 96,23 %, bien supérieure à celle des méthodes traditionnelles.
- Produit de haute pureté : Le LiNO₃ généré a une pureté supérieure à 99 % et peut être directement utilisé dans la fabrication de batteries lithium-ion.
- Autosuffisance énergétique : Le système génère de l’électricité tout en recyclant le lithium, réalisant ainsi un cycle énergétique.
- Respect de l’environnement : Cette méthode ne nécessite pas de réactifs chimiques en grande quantité et ne génère pas de déchets nocifs, réduisant ainsi considérablement la pollution environnementale.
Conclusion et signification
Cette étude propose une nouvelle méthode électrochimique de recyclage du lithium, résolvant non seulement le problème du traitement des batteries lithium-ion usagées, mais offrant également une nouvelle solution pour le traitement des gaz d’échappement. Cette méthode est efficace, écologique et économique, ouvrant de nouvelles perspectives pour l’utilisation durable des ressources en lithium et le développement d’une économie circulaire.
Points forts de la recherche
- Innovation : Première combinaison du recyclage du lithium et de la capture de NO₂, réalisant une autosuffisance énergétique.
- Efficacité : Efficacité de recyclage du lithium atteignant 97 %, avec un produit de haute pureté.
- Respect de l’environnement : Pas besoin de réactifs chimiques en grande quantité et absence de déchets nocifs.
- Rentabilité : Bénéfice net de 2,41 dollars par kilogramme de LFP traité, offrant un avantage économique significatif.
Autres informations utiles
L’équipe de recherche a également exploré la faisabilité de cette méthode dans des applications pratiques, y compris la stabilité opérationnelle à différentes concentrations de NO₂, la compatibilité avec d’autres gaz (comme le CO₂ et le SO₂), et la conception d’un système de recyclage continu. Ces recherches fournissent des références importantes pour l’optimisation future de cette méthode.
Grâce à cette étude, l’équipe de l’Université des Sciences et Technologies de Chine a fourni une solution innovante pour l’utilisation durable des ressources en lithium et le traitement des gaz d’échappement, offrant une valeur scientifique et appliquée significative.