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octobre 26, 2020

La crise des déchets électroniques pourrait être évitée si nous rendions les batteries moins chères et plus faciles à recycler


Alors que l'inquiétude monte sur les impacts du changement climatique, de nombreux experts réclament une plus grande utilisation de l'électricité comme substitut aux combustibles fossiles. Alimenté par les progrès de la technologie des batteries, le nombre de véhicules hybrides et électriques rechargeables sur les routes américaines augmente. Et les services publics génèrent une part croissante de leur énergie à partir de carburants renouvelables, soutenus par des systèmes de stockage sur batterie à grande échelle .

Ces tendances, associées à un volume croissant de téléphones, montres, ordinateurs portables, les appareils portables et autres technologies grand public, nous laissent nous demander: qu'adviendra-t-il de toutes ces batteries une fois qu'elles s'useront?

Malgré un enthousiasme écrasant pour des batteries moins chères, plus puissantes et plus denses en énergie, les fabricants ont accordé relativement peu d'attention à leur fabrication. appareils plus durables. Aux États-Unis, seuls 5% environ des batteries lithium-ion – la technologie de choix pour les véhicules électriques et de nombreux produits de haute technologie – sont en fait recyclés . Alors que les ventes de véhicules électriques et de gadgets technologiques continuent de croître, on ne sait pas qui doit gérer les déchets électroniques de batterie dangereux ou comment le faire.

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En tant qu'ingénieurs qui travaillent sur la conception de matériaux avancés y compris batteries nous pensons qu'il est important de réfléchir à ces questions dès maintenant. Créer des voies pour que les fabricants de batteries construisent des processus de fabrication durables de production au recyclage qui respectent à la fois les normes des consommateurs et les normes environnementales peut réduire la probabilité d'une crise des déchets de batteries au cours de la prochaine décennie.

Contenu dangereux

Les batteries posent un recyclage et problèmes d'élimination que les métaux, les plastiques et les produits en papier, car ils contiennent de nombreux composants chimiques qui sont à la fois toxiques et difficiles à séparer.

Certains types de batteries largement utilisées – notamment les batteries au plomb-acide dans les voitures à essence – ont des chimies relativement simples et des conceptions qui les rendent faciles à recycler. Les piles alcalines ou à base d'eau non rechargeables qui alimentent des appareils comme les lampes de poche et les détecteurs de fumée peuvent être jetées directement dans les décharges.

Cependant, les piles au lithium-ion d'aujourd'hui sont très sophistiquées et ne sont pas conçues pour être recyclables. Ils contiennent des produits chimiques dangereux, tels que des sels de lithium toxiques et des métaux de transition qui peuvent endommager l'environnement et s'infiltrer dans les sources d'eau. Les batteries au lithium usagées contiennent également de l'énergie électrochimique intégrée – une petite quantité de charge restante après qu'elles ne peuvent plus alimenter les appareils – qui peut provoquer des incendies ou des explosions, ou blesser les personnes qui les manipulent .

De plus, les fabricants ont peu d'incitation économique à modifier les protocoles existants pour intégrer des conceptions respectueuses du recyclage. Aujourd'hui, il coûte plus cher de recycler une batterie lithium-ion que les matériaux récupérables qu'elle contient.

Par conséquent, la responsabilité de la gestion des déchets de batterie incombe fréquemment à des recycleurs tiers – des entreprises qui font de l'argent de la collecte et du traitement des matières recyclables. Il est souvent moins coûteux pour eux de stocker les batteries que de les traiter et de les recycler.

Technologies de recyclage qui peuvent décomposer les batteries, telles que pyrométallurgie ou brûler, et hydrométallurgie ou lixiviation acide, deviennent plus efficaces et plus économiques . Mais le manque d'infrastructure appropriée de recyclage des batteries crée des barrages routiers tout au long de la chaîne d'approvisionnement.

Par exemple, le transport des batteries usagées sur de longues distances jusqu'aux centres de recyclage se ferait généralement par camion. Les piles au lithium doivent être emballées et expédiées conformément à la réglementation sur les matières dangereuses de classe 9 du Département américain des transports . En utilisant un modèle développé par Argonne National Laboratory nous estimons que cette exigence augmente les coûts de transport à plus de 50 fois ceux d'une cargaison régulière.

Plus sûr et plus simple

Bien qu'il soit difficile de cuire la recyclabilité dans la fabrication actuelle des batteries lithium-ion conventionnelles, il est essentiel de développer des pratiques durables pour les batteries à semi-conducteurs, qui sont une technologie de nouvelle génération qui devrait entrer sur le marché dans cette décennie.

Une batterie à semi-conducteurs remplace la électrolyte liquide organique inflammable dans les batteries lithium-ion avec un électrolyte solide inorganique ininflammable. Cela permet à la batterie de fonctionner sur une plage de températures beaucoup plus large et réduit considérablement le risque d'incendies ou d'explosions. Notre équipe de nano-ingénieurs s'efforce d'incorporer la facilité de recyclage dans le développement de batteries à semi-conducteurs de nouvelle génération avant que ces batteries n'entrent sur le marché.

Conceptuellement, les batteries recyclables doivent pouvoir être manipulées et transportées en toute sécurité, simple à démonter, rentable à fabriquer et peu nocif pour l'environnement. Après avoir analysé les options, nous avons choisi une combinaison de chimies spécifiques dans les batteries tout-solide de nouvelle génération qui répond à ces exigences .

Notre stratégie de conception réduit le nombre d'étapes nécessaires pour démonter le batterie et évite d'utiliser la combustion ou des produits chimiques nocifs tels que des acides ou des solvants organiques toxiques. Au lieu de cela, il n'emploie que des matériaux sûrs et peu coûteux tels que l'alcool et les techniques de recyclage à base d'eau. Cette approche est évolutive et respectueuse de l'environnement. Il simplifie considérablement les processus conventionnels de recyclage des batteries et permet de démonter et de manipuler les matériaux en toute sécurité.