Progrès et obstacles du recyclage des batteries LiFePO4

Les batteries lithium-fer-phosphate usagées, qu'elles soient ou non réutilisables, doivent être démantelées et recyclées. Contrairement aux batteries à matériaux ternaires, elles ne contiennent pas de métaux lourds. Leurs principaux composants récupérables sont le lithium (Li), le phosphore (P) et le fer (Fe). La faible valeur ajoutée des produits récupérés impose le développement de procédés de recyclage économiques. Deux méthodes principales existent : la pyrométallurgie et l'hydrométallurgie.

Le recyclage pyrométallurgique traditionnel consiste généralement en l'incinération à haute température des feuilles d'électrodes afin d'éliminer le carbone et la matière organique contenus dans les fragments. Les cendres restantes, non incinérables, sont finalement récupérées par tamisage et contiennent des métaux et des oxydes métalliques sous forme de poudre fine. Cette méthode est simple mais longue et le taux de récupération des métaux précieux est faible. Une technologie de recyclage pyrométallurgique améliorée consiste à calciner le matériau pour éliminer les liants organiques, à séparer la poudre de phosphate de fer lithié de la feuille d'aluminium, à obtenir ce matériau, puis à ajouter les matières premières appropriées pour atteindre le rapport molaire requis entre le lithium, le fer et le phosphore, et à synthétiser du nouveau phosphate de fer lithié par des méthodes en phase solide à haute température. Selon les estimations de coûts, le recyclage pyrométallurgique à sec amélioré des batteries usagées au phosphate de fer lithié peut être rentable. Cependant, le phosphate de fer lithié produit par ce procédé présente des niveaux d'impuretés élevés et des performances instables.

Le recyclage hydrométallurgique consiste principalement à dissoudre les ions métalliques contenus dans les batteries lithium-fer-phosphate dans des solutions acides et basiques, puis à extraire ces ions sous forme d'oxydes, de sels et d'autres composés par précipitation et adsorption. Le procédé utilise souvent des réactifs tels que H₂SO₄, NaOH et H₂O₂. Simple et peu exigeante en équipements, cette méthode est adaptée à une production à l'échelle industrielle. C'est la méthode la plus étudiée et la voie principale de traitement des batteries lithium-ion usagées en Chine.

Dans le recyclage hydrométallurgique des batteries lithium-fer-phosphate, l'objectif principal est la récupération de l'électrode positive. Lors du procédé par voie humide, le fluide collecteur de la feuille d'aluminium est séparé du matériau actif de l'électrode positive. Une méthode consiste à dissoudre le fluide collecteur dans une solution alcaline ; le matériau actif, ne réagissant pas avec cette solution, est récupéré par filtration. Une autre méthode utilise un solvant organique pour dissoudre le liant PVDF, séparer le matériau de l'électrode positive de la feuille d'aluminium et réutiliser cette dernière. Le matériau actif peut ensuite être traité, et le solvant organique est recyclé par distillation. La seconde méthode est plus respectueuse de l'environnement et plus sûre. Une autre méthode de récupération du lithium-fer-phosphate consiste à produire du carbonate de lithium. Cette méthode économique est adoptée par la plupart des entreprises de recyclage de déchets de lithium-fer-phosphate, mais le principal composant, le phosphate de fer (à 95 %), n'est pas récupéré, ce qui entraîne un gaspillage de ressources.

Une méthode idéale de recyclage hydrométallurgique consiste à convertir les déchets de matériaux d'électrodes positives en phosphate de fer lithié en sel de lithium et en phosphate de fer afin de récupérer intégralement le lithium, le fer et le phosphore. Pour ce faire, le fer ferreux doit être oxydé en fer ferrique, et le lithium extrait par lixiviation acide ou alcaline. Les chercheurs ont utilisé l'oxydation et la calcination pour séparer la feuille d'aluminium du phosphate de fer lithié, suivies d'une lixiviation à l'acide sulfurique et d'une séparation pour obtenir du phosphate de fer brut. La solution est purifiée par précipitation au carbonate de sodium pour obtenir du carbonate de lithium. Le phosphate de fer brut est ensuite raffiné pour obtenir du phosphate de fer de qualité batterie, utilisable dans la préparation de matériaux en phosphate de fer lithié. Après des années de recherche, ce procédé est désormais bien établi.