Recyclage assisté par Micro-onde des métaux stratégiques de batteries Lithium-ion. – MiReLIB

Le projet MiReLIB vise à améliorer le procédé hydrométallurgique de recyclage des matériaux de batterie Li-ion. Avec la production croissante de véhicules électriques, les éléments impliqués dans la fabrication de moyens de stockage d’énergie mobile sont devenues des ressources stratégiques et les batteries usagées de véritables mines secondaires. Il est donc important de recycler efficacement ces matériaux tout en limitant la production de déchets. Dans le procédé actuel de recyclage, les matériaux d’électrodes de type NMC (par exemple, LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2) sont d’abord lixiviés en milieu aqueux. Dans une seconde étape, les cations métalliques dissous sont extraits sélectivement dans une phase organique par extraction liquide-liquide. Nous proposons de réaliser simultanément les étapes de lixiviation et extraction des cations stratégiques (Co, Li, Ni, Mn) de la cathode par un traitement micro-onde en flux.
En réalisant l’extraction en même temps que la lixiviation nous allons accélérer la dissolution des particules en retirant progressivement de la phase aqueuse les ions produits de la dissolution. De plus, les gouttes aqueuses contenant les particules à lixivier sont chauffées sélectivement sous irradiation microonde dans un fluide porteur organique. Cette différence de température et l’usage d’agents extractants va favoriser le transfert des ions vers la phase organique. Les gouttes transportées dans les canaux millifluidiques offrent une interface importante de contact entre les deux solvants accélérant ainsi le transfert. La millifluidique permet aussi une analyse en ligne (dosage UV-Visible des espèces dissoutes) et une séparation facilitée des phases aqueuses et organiques. Les paramètres expérimentaux du système seront optimisés pour atteindre des rendements compatibles avec une utilisation réelle du procédé. L’effet de l’irradiation micro-onde pour le chauffage sélectif de la phase aqueuse sera modélisé afin d’expliquer son rôle dans les gains en efficacité de recyclage. A l’aide du logiciel COMSOL, nous modéliserons les premiers résultats expérimentaux de chauffage sélectif par micro-onde d’un mélange eau-solvant organique et de lixiviation et extraction couplés dans un canal millifluidique chauffé de manière homogène afin de prédire des paramètres optimaux pour le système combinant les deux opérations.
Les matériaux utilisés dans le projet seront d’abord des particules modèles de taille et de composition connue pour mieux rationnaliser le système puis nous testerons les matériaux d’électrodes usagées. Pour limiter la production déchets du procédé nous envisagerons une extraction inverse des ions de la phase organique pour réutiliser cette dernière dans un nouveau cycle d’extraction.
En parallélisant les canaux millifluidiques dans le four micro-onde il devient possible de recycler des quantités raisonnables (quelques kilogrammes par jour) dans une unité de volume réduit, mobile et compatible avec une utilisation urbaine au plus proche des zones de production de déchets. L’efficacité du procédé de recyclage envisagé sera évaluée en considérant sa consommation énergétique, la consommation de réactifs chimiques et la production d’effluents.