Découvrez comment les matériaux toxiques peuvent continuer à être utilisés dans les batteries s’ils sont recyclés.

Les batteries à base de plomb et de cadmium posent les plus grands problèmes environnementaux, à tel point que le nickel-cadmium a été interdit en Europe en 2009. Des tentatives sont faites pour interdire également la batterie à base de plomb, mais aucun remplacement approprié n’est disponible, comme ce fut le cas en remplaçant le nickel-cadmium par du nickel-métal-hydrure. Pour la première fois, le lithium-ion a été ajouté à la liste des polluants. Cette chimie a été classée comme légèrement toxique, mais leur volume nécessite un examen plus approfondi.

L’acide de plomb a ouvert la voie au succès du recyclage, et aujourd’hui plus de 97% de ces batteries sont recyclées aux États-Unis. L’industrie automobile devrait avoir le mérite d’avoir organisé le recyclage tôt; cependant, des raisons commerciales plutôt que des préoccupations environnementales ont peut-être été la force motrice. Le processus de recyclage est simple et 70% du poids de la batterie est du plomb réutilisable.

Plus de 50% de l’alimentation en plomb provient de batteries recyclées. D’autres types de piles ne sont pas aussi économiques à recycler et ne sont pas renvoyés aussi facilement que l’acide de plomb. Plusieurs organisations travaillent sur des programmes pour faciliter la collecte de toutes les batteries. Seuls 20 à 40% des batteries des téléphones portables et autres produits de consommation sont actuellement recyclées. L’objectif du recyclage est d’empêcher les matières dangereuses d’entrer dans les sites d’enfouissement et d’utiliser les matières récupérées dans la fabrication de nouveaux produits.

Les piles usagées doivent être retirées du ménage. On sait que les vieilles cellules primaires fuient et endommagent la zone environnante. Ne rangez pas les vieilles piles au plomb là où les enfants jouent. Le simple fait de toucher les poteaux de plomb peut être nocif. Gardez également les piles boutons cachées aux petits enfants car ils peuvent avaler ces piles. (Voir BU-703: Problèmes de santé avec les batteries)

Même si elles ne sont pas respectueuses de l’environnement, les batteries au plomb-acide continuent à occuper un créneau de marché important, en particulier en tant que batterie de démarrage. Les systèmes de mobilité sur roues et d’onduleur ne pourraient pas fonctionner aussi économiquement sans cette batterie fiable. Le NiCd continue également d’occuper une position critique parmi les batteries rechargeables alors que de grands NiCd inondés démarrent des avions à réaction et propulsent des bateaux de tourisme dans les rivières des grandes villes. Bien qu’exemptes de pollution, ces batteries sont en déclin.

Les piles contenant des substances toxiques continueront d’être avec nous et il n’y a rien de mal à les utiliser tant qu’elles sont éliminées correctement. Chaque chimie de batterie a sa propre procédure de recyclage et le processus commence par trier les batteries dans les bonnes catégories.

Acide de plomb: Le recyclage de l’acide de plomb a commencé avec l’introduction de la batterie de démarrage en 1912. Le processus est simple et rentable car le plomb est facile à extraire et peut être réutilisé plusieurs fois. Cela a conduit à de nombreuses entreprises rentables et au recyclage d’autres batteries.

 Les batteries au plomb sont les plus recyclées. Le recyclage est rentable
Figure 1: Les batteries au plomb sont les plus recyclées. Le recyclage est rentable

À la fin de 2013, les fonderies ont commencé à signaler un nombre accru de batteries Li-ion mélangées à de l’acide de plomb, en particulier dans les batteries de démarrage. Cela peut provoquer des incendies, entraînant une explosion et des blessures. L’aspect physique des packs d’acide de plomb et de Li-ion est similaire et le tri à volume élevé pose un défi. Pour les consommateurs, une batterie est une batterie et les gens sont incités à recycler toutes les batteries, peu importe la chimie. Comme plus d’acide de plomb sont remplacés par du Li-ion, le problème ne fera que s’aggraver. De 2010 à 2013, le nombre d’incidents d’infiltration de Li-ion avec de l’acide de plomb a été multiplié par 10.

Veuillez noter que le Li-ion est plus volatil lorsqu’il est dépouillé que l’acide de plomb. Le pré-tri est effectué pour des raisons de sécurité et non pour séparer les matières dangereuses. L’acide de plomb est bénin mais toxique, le Li-ion est non malin mais explosif.

La Society of Automotive Engineers (SAE) et la Commission Électrotechnique internationale (CEI) lancent une action par une sensibilisation accrue, la formation des employés, l’identification et l’étiquetage des batteries. Des technologies à rayons X pour séparer les batteries sont à l’étude et « qui porte la responsabilité? » est demandé. Les fabricants de batteries mettent la responsabilité sur les recycleurs qui, à leur tour, soutiennent que le fardeau et la durabilité d’un produit doivent être supportés par le fabricant. Les tribunaux peuvent devenir les arbitres.

Nickel-cadmium: Lorsque les batteries NiCd sont éliminées négligemment, le cylindre de la cellule métallique finit par se corroder dans la décharge. Le cadmium se dissout et s’infiltre dans l’alimentation en eau. Une fois la contamination commencée, les autorités sont impuissantes à arrêter le carnage. Nos océans présentent déjà des traces de cadmium (ainsi que de l’aspirine, de la pénicilline et des antidépresseurs) mais les scientifiques ne sont pas certains de son origine.

Nickel-métal-hydrure : Le nickel et l’électrolyte du NiMH sont semi-toxiques. Si aucun service d’élimination n’est disponible dans une zone, les batteries NiMH individuelles peuvent être jetées avec d’autres déchets ménagers en petites quantités; cependant, avec 10 batteries ou plus, l’utilisateur devrait envisager de les éliminer dans une décharge de déchets sécurisée. La meilleure alternative consiste à emmener les piles usagées dans un bac de dépôt du quartier pour les recycler.

Lithium primaire: Ces batteries contiennent du lithium métallique qui réagit violemment au contact de l’humidité et doivent être éliminées de manière appropriée. S’il est jeté dans une décharge à l’état chargé, un équipement lourd fonctionnant sur le dessus pourrait écraser les caisses et le lithium exposé pourrait allumer un feu. Les feux de décharge sont difficiles à éteindre et peuvent brûler pendant des années sous terre. Avant le recyclage, appliquez une décharge complète pour consommer la teneur en lithium. Les batteries au lithium primaires (lithium-métal) sont utilisées dans les combats militaires, ainsi que dans les montres, les capteurs, les aides auditives et la sauvegarde de la mémoire. Une variété lithium-métal sert également de remplacement alcalin aux formats AAA, AA et 9V. Le Li-ion pour téléphones portables et ordinateurs portables ne contient pas de lithium métallique. (Voir aussi BU-106: Avantages des batteries primaires)

Lithium-ion: Le Li-ion est raisonnablement inoffensif, mais les emballages usés doivent être éliminés correctement. Cela est fait moins pour récupérer des métaux précieux, comme c’est le cas avec l’acide de plomb, que pour des raisons environnementales, en particulier avec le volume croissant utilisé dans les produits de consommation. Le Li-ion contient des éléments nocifs au niveau de la toxicité des appareils électroniques.

Avec l’utilisation croissante du Li-ion, le rapport de la Commission européenne intitulé « Vers la batterie du futur » émet des avertissements en raison du grand nombre de batteries qui arriveront en fin de vie. En Europe, le Li-ion ne peut pas être mis en décharge en raison de sa toxicité et de son danger d’explosion, ni être incinéré car les cendres sont également toxiques en décharge. Le cobalt et les agents qui lient les matériaux d’électrode entre eux sont préoccupants.

Le rapport ne désigne plus l’acide de plomb comme la batterie la plus toxique. L’acide de plomb est la seule batterie qui peut être recyclée de manière rentable. Presque 100% de l’acide de plomb étant recyclé, l’accent est mis sur le Li-ion en raison du volume et de la valeur croissants des matériaux récupérables.

Selon un rapport ATZ (2018), la batterie de traction Li-ion de 33 kWh du véhicule électrique BMW i3 contient 2 kg (4,4 lb) de cobalt, 6 kg (13 lb) de lithium, 12 kg (26 lb) de manganèse, 12 kg (26 lb) de nickel et 35 kg (77 lb) de graphite. Tous les matériaux récupérés ne peuvent pas atteindre la qualité de la batterie lorsqu’ils sont recyclés, mais les ressources acquises peuvent être utilisées à des fins moins exigeantes. Le lithium est également utilisé comme lubrifiant.

Des progrès sont réalisés et Duesenfeld GmbH démontre une méthode innovante qui utilise 70% moins d’énergie pour recycler les batteries lithium-ion qu’avec les fours de fusion traditionnels. La figure 2 illustre l’usine de recyclage des batteries de véhicules électriques en Allemagne.

 Usine de recyclage des batteries de véhicules électriques en Allemagne
Figure 2: Usine de recyclage des batteries de véhicules électriques en Allemagne

Le processus de recyclage des batteries Li-ion commence normalement par une désactivation impliquant une décharge complète pour éliminer l’énergie stockée et éviter un événement thermique surprise. L’électrolyte peut également être congelé pour éviter les réactions électrochimiques pendant le processus de broyage. Duesenfeld a breveté un procédé qui évapore et récupère les solvants organiques de l’électrolyte sous vide par condensation. On dit que ce processus ne produit pas de gaz d’échappement toxiques. Sur la figure 3, les techniciens démontent les batteries des véhicules électriques pour les recycler.

 Recyclage d'une batterie lithium-ion EV dans un conteneur
Figure 3: Recyclage d’une batterie lithium-ion EV dans un conteneur

Les étapes suivantes sont divisées en traitements mécaniques, pyrométallurgiques et hydrométallurgiques. La mécanique implique le broyage des cellules de la batterie; la pyrométallurgie extrait les métaux par traitement thermique; et l’hydrométallurgie implique des processus aqueux.

Une fois démonté, le tri sépare la feuille de cuivre, la feuille d’aluminium, le séparateur et les matériaux de revêtement. Le nickel, le cobalt et le cuivre peuvent être recyclés à partir de la fonte, mais le lithium et l’aluminium restent dans les scories. Un procédé hydrométallurgique est nécessaire pour récupérer le lithium. Cela comprend la lixiviation, l’extraction, la cristallisation et la précipitation à partir d’une solution liquide. Le traitement hydrométallurgique est utilisé pour récupérer des métaux purs, par exemple du lithium, glanés dans des matériaux de revêtement séparés après des procédés mécaniques ou des scories dans des procédés pyrométallurgiques.

Umicore en Belgique utilise un four pour faire fondre directement les batteries afin de récupérer 95% du cobalt, du nickel et du cuivre. Après le four, Umicore utilise un procédé spécial de lavage des gaz pour nettoyer les produits d’incinération toxiques des gaz d’échappement contenant du fluor.

Pour réduire les risques d’incendie pendant le processus de recyclage, les plus petits recycleurs incinèrent les batteries lithium-ion à l’extérieur dans des installations de traitement des déchets spéciaux avant de procéder à une séparation mécanique.

Duesenfeld en Allemagne décharge les batteries, les écrase en atmosphère inerte, évapore et re-condense les solvants organiques de l’électrolyte et sépare le matériau de revêtement de l’électrode du reste. Les métaux sont ensuite lessivés des anciennes matières actives. Le graphite est filtré et récupéré, après quoi le carbonate de lithium, le sulfate de nickel, le sulfate de cobalt et le sulfate de manganèse sont produits. Ce processus de recyclage produit plus de métaux qu’avec la méthode thermique Umicore. L’empreinte CO2 est également réduite tout en économisant de l’énergie et en réduisant la formation de gaz dangereux.

 Graphite recyclé provenant de batteries lithium-ion
Figure 4: Graphite recyclé à partir de batteries lithium-ion
 Carbonate de lithium recyclé à partir de batteries lithium-ion
Figure 5: Carbonate de lithium recyclé à partir de batteries lithium-ion
  • 1- minute YouTube: Recyclage écologique des piles Lithium-Ion avec Duesenfeld
  • 4 minutes YouTube: Méthode écologique de recyclage des piles EV

Alcalines: Après avoir abaissé la teneur en mercure des piles alcalines en 1996, de nombreux territoires autorisent désormais l’élimination de ces piles comme déchets domestiques ordinaires; cependant, la Californie considère toutes les batteries comme des déchets dangereux. En Europe, l’acide de plomb, le NiCd, les batteries contenant du mercure, les collections non triées de plusieurs types de batteries et les électrolytes de batteries sont considérés comme des déchets dangereux. Tous les autres peuvent passer pour non dangereux. La plupart des magasins vendant des piles sont également tenus de reprendre les piles usagées. Les piles alcalines contiennent des matériaux réutilisables de zinc et de manganèse, mais le processus de récupération est une responsabilité. Des efforts sont faits pour augmenter le recyclage des cellules alcalines de 4% en 2015 à 40% en 2025.

En Amérique du Nord, Retriev Technologies, anciennement Toxco, et la Rechargeable Battery Recycling Corporation (RBRC) collectent les piles usagées et les recyclent. Bien que Retriev dispose de ses propres installations de recyclage, RBRC est en charge de la collecte des batteries et de leur envoi aux organisations de recyclage. Retriev, à Trail, en Colombie-Britannique, affirme être la seule entreprise au monde à recycler de grosses batteries au lithium. Ils reçoivent des batteries usagées provenant de forages pétroliers au Nigeria, en Indonésie et dans d’autres endroits. Ils recyclent également les batteries au lithium retirées des silos de missiles Minuteman et des tonnes de Li-ion provenant des efforts de guerre. D’autres divisions de Retriev recyclent le nickel-cadmium, le nickel-métal-hydrure, le plomb, le mercure, les alcalins et plus encore.

L’Europe et l’Asie sont également actives dans le recyclage des piles usagées. Parmi les autres entreprises de recyclage, Sony et Sumitomo Metal au Japon et Umicore en Belgique ont développé une technologie pour récupérer le cobalt et d’autres métaux précieux des batteries lithium-ion usagées. (Voir BU-705a: Le recyclage des batteries en tant qu’entreprise)

Umicore utilise un procédé UHT (ultra-haute température) pour recycler les batteries Li-ion et NiMH. Les paquets usés sont démontés et fondus dans un four UHT. Les derbies sont séparées en un alliage métallique contenant du cuivre, du cobalt et du nickel, et du laitier, un déchet pierreux contenant des métaux des terres rares. Les scories peuvent être traitées davantage pour récupérer le lithium, mais la production de lithium de qualité batterie n’est pas encore économique et les scories sont utilisées pour la construction. Des méthodes sont en cours de développement pour extraire le lithium pour le retraitement en carbonate de lithium pour la production de Li-ion. Avec une augmentation prévue de 10 fois l’utilisation des batteries Li-ion entre 2020 et 2030, la réutilisation du lithium pourrait devenir économique, de sorte que les métaux finissent à nouveau dans la production de batteries, tout comme le plomb pour les batteries au plomb.

Processus de recyclage

Le recyclage commence par le tri des batteries dans des produits chimiques. Les centres de collecte placent l’acide de plomb, le nickel-cadmium, le nickel-métal-hydrure et l’ion lithium dans des fûts, des sacs ou des boîtes désignés. Les recycleurs de batteries affirment que le recyclage peut être rentable si un flux régulier de batteries, triées par chimie, est mis à disposition.

Le processus de recyclage commence par l’élimination des matériaux combustibles, tels que les plastiques et l’isolant, avec un oxydant thermique au gaz. Les particules polluantes créées par le processus de combustion sont éliminées par l’épurateur de l’usine avant d’être rejetées dans l’atmosphère. Cela laisse les cellules propres et nues avec une teneur en métal.

Les cellules sont ensuite coupées en petits morceaux et chauffées jusqu’à ce que le métal se liquéfie. Les substances non métalliques sont brûlées, laissant un laitier noir sur le dessus qu’un bras de laitier élimine. Les alliages se déposent en fonction du poids et sont écrémés comme de la crème de lait cru tout en restant sous forme liquide.

Le cadmium est relativement léger et se vaporise à des températures élevées. Dans un processus qui ressemble à une casserole d’eau bouillante, un ventilateur souffle la vapeur de cadmium dans un grand tube qui est refroidi avec du brouillard d’eau. Les vapeurs se condensent pour produire du cadmium pur à 99,95 %.

Certains recycleurs ne séparent pas les métaux sur place, mais versent les métaux liquides directement dans ce que l’industrie appelle des « porcs » (65 livres, 24 kg) ou des « porcs » (2 000 livres, 746 kg). D’autres recycleurs de batteries utilisent des pépites (7 livres, 3,17 kg). Les porcs, les porcs et les pépites sont expédiés vers des usines de récupération des métaux où ils sont utilisés pour produire du nickel, du chrome et du fer pour l’acier inoxydable et d’autres produits haut de gamme.

Pour réduire la possibilité d’un événement réactif lors du broyage, certains recycleurs utilisent une solution liquide ou congèlent des batteries à base de lithium avec de l’azote liquide; cependant, le mélange de batteries de démarrage Li-ion avec le type d’acide de plomb commun reste un problème car un Li-ion chargé est beaucoup plus explosif que l’acide de plomb.

Le recyclage des batteries est énergivore. Les rapports révèlent qu’il faut 6 à 10 fois plus d’énergie pour récupérer les métaux de certaines batteries recyclées que de l’exploitation minière. L’exception est la batterie au plomb, à partir de laquelle le plomb peut être extrait facilement et réutilisé sans processus élaborés. Dans une certaine mesure, le nickel du NiMH peut également être récupéré économiquement s’il est disponible en grandes quantités.

De nouvelles méthodes de recyclage sont en cours de développement qui récupèrent les métaux par électrolyse, également connu sous le nom de recyclage chimique. On dit que le procédé est plus rentable et produit des rendements plus élevés avec moins de polluants que la fusion traditionnelle. Une telle alternative au recyclage des batteries au plomb a été développée par Aqua Metals. Cette technologie a le potentiel de révolutionner les méthodes de fusion traditionnelles. Un processus électrochimique sépare le plomb en décomposant les métaux en particules de tailles nanoscopiques qui sont dispersées dans l’eau pour créer un métal hydro-collodial. Le processus s’appelle AquaRefining. Des problèmes techniques retardent la mise en œuvre complète pour le moment.

Chaque pays fixe ses propres règles et ajoute des tarifs au prix d’achat d’une nouvelle batterie pour rendre le recyclage possible. En Amérique du Nord, certaines usines de recyclage facturent au poids et les tarifs varient en fonction de la chimie. Alors que le NiMH donne un assez bon rendement avec le nickel, la batterie NiCd usée est moins demandée en raison des prix du cadmium doux. En raison de la faible valeur de récupération du métal, le Li-ion impose des frais de recyclage plus élevés que la plupart des autres types de batteries.

Le recyclage des batteries Li-ion n’est pas encore rentable doit être subventionné par le gouvernement. Il existe une incitation à récupérer le cobalt coûteux. Il n’existe aujourd’hui aucune technologie de recyclage capable de produire du lithium suffisamment pur pour une seconde utilisation dans les batteries. Le lithium pour les batteries est extrait; le lithium d’occasion est utilisé pour les lubrifiants, le verre, la céramique et d’autres applications.

Le coût forfaitaire pour recycler une tonne de batteries est de 1 000 à 2 000 dollars; l’Europe espère atteindre un coût par tonne de 300 dollars. Idéalement, cela comprendrait le transport, mais le déplacement et la manutention des marchandises devraient doubler le coût global. Pour simplifier le transport, l’Europe installe plusieurs usines de transformation plus petites dans des emplacements géographiques stratégiques. Cela est dû en partie à la Convention de Bâle qui interdit l’exportation de batteries au plomb complètes mais usées. À mesure que le volume de batteries jetées augmente, de nouvelles technologies sont essayées pour rentabiliser le recyclage sans le soutien des agences et des gouvernements.

ATTENTION Les batteries ne doivent en aucun cas être incinérées, car un incendie peut provoquer une explosion. Portez des gants approuvés lorsque vous touchez l’électrolyte. En cas d’exposition à la peau, rincer immédiatement à l’eau. En cas d’exposition oculaire, rincer à l’eau pendant 15 minutes et consulter immédiatement un médecin.

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