Piles rechargeables fabriquées avec des composants entièrement recyclables

Les batteries au lithium rechargeables à semi-conducteurs constituent une technologie émergente qui pourrait un jour alimenter les téléphones portables et les ordinateurs portables pendant plusieurs jours avec une seule charge. En plus d’offrir une densité énergétique nettement plus élevée, elles constituent une alternative plus sûre aux batteries lithium-ion potentiellement inflammables utilisées aujourd’hui dans l’électronique domestique. Malheureusement, les batteries au lithium rechargeables à semi-conducteurs actuelles ne sont pas respectueuses de l’environnement. Les méthodes actuelles de recyclage se concentrent sur la récupération limitée des métaux contenus dans les cathodes, tandis que tout le reste est gaspillé.

Une équipe comprenant, entre autres, Enrique Gómez et Yi-Chen Lan, tous deux de la Pennsylvania State University aux États-Unis, aurait pu résoudre ce problème.

L’équipe a reconfiguré la conception de ces batteries au lithium solide afin que tous leurs composants puissent être facilement recyclés.

Traditionnellement, la plupart des composants du cœur des batteries finissent à la poubelle car ils se mélangent les uns aux autres lors du processus de recyclage, donnant lieu à une masse noirâtre inutile. Cette masse est riche en matériaux nécessaires aux batteries, mais leur séparation reste un défi. Dans les batteries à semi-conducteurs, l’utilisation d’électrolytes solides aggrave ce problème, car ils se mélangent à la masse noire.

Pour séparer plus facilement ces composants des autres composants métalliques d’une pile bouton, les chercheurs ont inséré deux couches de polymère dans les surfaces de contact entre l’électrode et l’électrolyte avant de lancer le processus de recyclage.

Les chercheurs ont reconfiguré la conception des piles au lithium à l’état solide afin que tous leurs composants puissent être facilement recyclés. Ils ont testé leur innovation avec des piles bouton, comme celles de l’image. (Photo : Poornima Tomy/Penn State. CC BY-NC-ND)

Une fois que les chercheurs ont réussi à séparer les composants, ils ont fabriqué un composite avec les métaux et les électrodes récupérés en utilisant le frittage à froid (le processus consistant à combiner des matériaux en poudre sous des formes denses à basse température en utilisant une pression appliquée avec des solvants). Le frittage à froid a été développé en 2016 par une équipe de chercheurs dirigée par Clive Randall, directeur du Materials Research Institute de la Pennsylvania State University.

Gómez et ses collègues ont utilisé le frittage à froid pour combiner les électrodes récupérées avec des poudres d’électrolyte solide composites récupérées, puis ont reconstruit la batterie avec les couches de polymère ajoutées.

Cela permet de recycler la batterie entière, d’en fabriquer une « neuve » à partir des matériaux de la première et de la recycler à nouveau lorsqu’elle atteint la fin de sa durée de vie utile.

Après avoir testé ses performances, ils ont découvert que la batterie reconstruite après recyclage de l’ancienne atteignait entre 92,5% et 93,8% de sa capacité de décharge d’origine.

Gómez et ses collègues présentent les détails techniques de leur avancée technologique dans la revue académique ACS Energy Letters, sous le titre « Interfacial Layers to Enable Recyclability of All-Solid-State Lithium Batteries ». (Fontaine: NCYT de Amazings)