Comment construire une meilleure cathode de batterie
La recherche du Worcester Polytechnic Institute, Yan Wang, a découvert que les matériaux cathodiques recyclés surpassent ceux fabriqués à partir de matériaux vierges.
Lors du sommet sur le climat COP26, Daimler, Ford et General Motors, ainsi que le chinois BYD, se sont engagés à ne construire que des véhicules électriques d’ici 2035. Les progrès technologiques en ont fait une perspective réaliste, mais la capacité d’obtenir les matières premières nécessaires à tant de véhicules électriques reste dans le doute.
La crise de l’approvisionnement peut être atténuée en recyclant les batteries mortes et en réutilisant ces matériaux dans le cadre d’une économie circulaire, comme le prévoit la startup de recyclage de batteries Redwood Materials. Mais les matériaux recyclés sont-ils aussi bons que les matières premières vierges pour fabriquer de nouvelles batteries ?
C’était la question du professeur Yan Wang, de l’Institut polytechnique de Worcester, dans son article « Les matériaux cathodiques recyclés ont permis des performances supérieures pour les batteries lithium-ion ». Le titre révèle ses découvertes selon lesquelles, en fait, les matériaux recyclés sont encore meilleurs que les matériaux vierges lors de la fabrication de cathodes de batterie.
« Alors que la demande pour les batteries lithium-ion augmente, il sera important de recycler les matériaux des batteries usagées, en particulier les batteries des véhicules électriques », a déclaré Wang. « Les fabricants de batteries veulent savoir que les matériaux cathodiques recyclés ne sont pas inférieurs aux nouveaux matériaux cathodiques. Cette recherche montre que les matériaux recyclés peuvent égaler ou surpasser électrochimiquement les matériaux cathodiques à la pointe de la technologie des fournisseurs de niveau 1. »
Wang a collaboré sur le papier avec des chercheurs de A123 Systems, Battery Resourcers, Argonne National Laboratory, Rice University, Brookhaven National Laboratory et le United States Advanced Battery Consortium (USABC).
Nouvelles de conception a appelé pour discuter avec le professeur Wang pour en savoir un peu plus sur ses découvertes.
Yan Wang, chercheur à l’Institut polytechnique de Worcester, dans son laboratoire.
Design News : Pourquoi le recyclage des matériaux des batteries est-il si important ?
Yan Wang : Tout d’abord, le recyclage peut empêcher la pollution de l’environnement par les piles usagées en raison de sa composition toxique. Deuxièmement, en raison des problèmes moraux et de la difficulté de l’exploitation minière, les matières premières ont un processus long et un prix élevé. Et enfin, les matières premières sont des ressources limitées. Avec le développement rapide des véhicules électriques, la demande sera bientôt supérieure à l’offre. Ainsi, pour protéger l’environnement, réduire le coût des batteries lithium-ion et relâcher la pression sur la chaîne d’approvisionnement, le recyclage des matériaux des batteries est très important.
Design News : Quels sont les avantages potentiels en termes de coûts liés à l’utilisation de matériaux recyclés ?
Yan Wang : Sur la base de certaines prévisions, les économies de coûts pourraient atteindre 43 % du coût des matériaux de cathode fabriqués à partir de matériaux, ce qui entraînerait une diminution du coût des batteries lithium-ion.
Design News : Quelles ont été les difficultés de récupérer le matériau pour le recyclage et comment avez-vous surmonté ces obstacles ?
Yan Wang : Les principales difficultés sont le tri et la régénération des matériaux cathodiques. Comme nous le savons tous, il existe de nombreux types de batteries lithium-ion sur le marché. Et en raison de la confidentialité, le fabricant ne les étiquetera pas, ce qui pourrait introduire des impuretés dues aux différents matériaux des batteries usagées.
Notre équipe a utilisé un procédé de déchiquetage pour éviter l’étape de tri. Et puis, nous avons éliminé les impuretés en ajustant les nombres de pH. Une autre difficulté vient du fait que la solution recyclée est plus complexe que la solution de matériaux vierges.
Après une série de traitements, la solution recyclée comprend plus d’ions que celle de la solution vierge. Ainsi, c’est un grand défi que de savoir comment utiliser des solutions recyclées pour produire de bons matériaux de cathode. Nous avons fait de nombreuses expériences pour trouver le paramètre optimisé pour la solution recyclée.
Dans quelle mesure le procédé que vous avez développé est-il adapté à une utilisation industrielle à haut volume ?
Design News : Dans quelle mesure le procédé que vous avez développé est-il adapté à une utilisation industrielle à haut volume ?
Yan Wang : Depuis que nous avons développé le processus de recyclage, l’évolutivité est dans notre esprit. En fait, Battery Resourcers, une entreprise dérivée du Worcester Polytechnic Institute, commercialise le processus de recyclage.
Design News : Comment les performances des batteries fabriquées à partir de matériau cathodique recyclé se comparent-elles à celles des batteries fabriquées avec un matériau vierge ?
Yan Wang : Notre oxyde de lithium nickel manganèse cobalt (NMC111) recyclé a le meilleur résultat de cycle de vie rapporté pour les matériaux recyclés et permet 4 200 cycles et 11 600 cycles à 80 % et 70 % de rétention de capacité, ce qui est de 33 % et 53 % meilleur que l’état de l’art, commercial NMC111. Pendant ce temps, ses performances de taux sont supérieures de 88,6% à celles des poudres commerciales à 5C.
Design News : Qu’est-ce qui a fait la différence, et quelle est l’opportunité d’optimiser ce mécanisme pour des gains toujours plus importants ?
Yan Wang : Les matériaux recyclés ont une microstructure optimisée d’une plus grande surface, d’un volume de pores cumulé et d’un vide intérieur plus grand qui offrent un coefficient de diffusion chimique Li plus élevé et atténuent la contrainte pendant le cycle, ce qui entraîne moins de transformation de phase et bénéficie de performances supérieures. Cette optimisation devrait bénéficier de la solution recyclée complexe, qui contient plus d’autres ions.
