Recyclage des batteries lithium-ion La fabrication et le recyclage des batteries pourraient devenir plus écologiques grâce à cette « colle »

Un liant sans fluor, pouvant être traité à l'eau, pourrait simplifier la fabrication et le recyclage des batteries lithium-ion. Mis au point à l'université de Californie à San Diego, il permet aux revêtements d'électrodes de se séparer des feuilles métalliques dans l'eau, tandis que des essais en laboratoire ont montré des performances initiales comparables à celles des batteries classiques et une meilleure conservation de la capacité.

Un nouveau liant pour batteries — la colle qui maintient ensemble les composants internes d’une batterie — pourrait rendre les batteries lithium-ion plus respectueuses de l’environnement et plus faciles à recycler sans compromettre leurs performances. En mettant au point un liant sans fluor et soluble dans l'eau, les ingénieurs de l'université de Californie à San Diego ont démontré qu'ils pouvaient simplifier à la fois la fabrication et le recyclage des batteries en réduisant la quantité de composants toxiques, la consommation d'énergie et la production de déchets. Les batteries fabriquées à partir de ce nouveau liant ont affiché des performances équivalentes à celles des batteries lithium-ion classiques.

Le liant est un matériau visqueux qui est mélangé aux poudres d'électrodes pour former des couches solides, lesquelles sont ensuite fixées sur de fines feuilles métalliques à l'intérieur de la batterie. Ces couches sont empilées puis enroulées pour former une batterie. Bien que le liant ne représente qu'une petite fraction du poids d'une batterie, il a un impact considérable sur son processus de fabrication et de recyclage.

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Les batteries lithium-ion utilisent généralement un liant contenant du fluor, car celui-ci permet d'obtenir des électrodes uniformes et très adhérentes qui restent stables tout au long de nombreux cycles de charge et de décharge. Cela permet aux batteries d'offrir de meilleures performances et une plus grande durée de vie.

« Mais cette même stabilité rend également les batteries beaucoup plus difficiles à recycler », a déclaré Chen, dont le laboratoire « Sustainable Materials and Energy Lab » de l'université de Californie à San Diego est spécialisé dans le développement de méthodes efficaces et respectueuses de l'environnement pour récupérer et régénérer les matériaux issus des batteries lithium-ion usagées.

Le problème du fluor dans les liants

Un liant contenant du fluor doit être dissous dans un solvant toxique avant de pouvoir être mélangé aux poudres d'électrodes. Une fois les électrodes enduites, de grands fours de séchage sont utilisés pour évaporer le solvant. Des étapes supplémentaires sont alors nécessaires pour récupérer et purifier le solvant afin qu’il puisse être réutilisé. « Ces étapes supplémentaires augmentent considérablement le coût et la consommation d’énergie — ainsi que l’impact environnemental — de la fabrication des batteries », a déclaré le premier auteur de l’étude, Jiao Lin, chercheur postdoctoral au sein du laboratoire de Chen.

Les liants contenant du fluor compliquent également le processus de recyclage des batteries. Ces liants laissent des résidus tenaces qui nécessitent une chaleur intense ou des produits chimiques corrosifs pour être éliminés. Cela génère à son tour des déchets dangereux, ainsi que des sous-produits contenant du fluor qui contaminent les matériaux récupérés des batteries et rendent leur réutilisation dans de nouvelles batteries plus difficile.

Fini le fluor et les solvants toxiques

Pour résoudre ces deux problèmes, l'équipe de Chen a mis au point un liant ne contenant pas de fluor et pouvant être traité à l'aide d'un solvant non toxique : l'eau. Bien qu'il existe déjà d'autres liants hydrosolubles, ceux-ci ne présentent pas la résistance et la durabilité requises pour les batteries haute performance, a expliqué Chen.

Le nouveau liant est composé de deux polymères peu coûteux et largement utilisés. L'acide polyacrylique favorise une répartition homogène du mélange lors de la fabrication et confère de la souplesse au produit. Quant à la carboxyméthylcellulose, une substance d'origine végétale couramment utilisée dans les produits alimentaires et les articles en papier, elle apporte résistance et adhérence.

Les polymères ont d'abord été dissous dans l'eau. Ensuite, les chercheurs ont ajouté de l'acide citrique, cet acide présent à l'état naturel dans les agrumes, afin de lier chimiquement les polymères entre eux. Il en résulte un réseau étroitement lié, maintenu par divers types de liaisons chimiques qui se renforcent mutuellement. Cela confère à ce liant la résistance, la souplesse, la stabilité et l'adhérence nécessaires pour rivaliser avec les liants conventionnels contenant du fluor.

Fabrication et recyclage de piles grâce au nouveau liant

Les batteries fabriquées à partir du nouveau liant sans fluor ont offert les mêmes performances initiales que les batteries lithium-ion classiques. Elles ont même conservé leur capacité plus longtemps après des centaines, voire des milliers de cycles de charge. Ce liant s'est également révélé compatible avec différents types d'électrodes, notamment les cathodes au phosphate de fer lithié (LFP), les cathodes riches en nickel, les anodes en graphite et les anodes en silicium.

Ce nouveau liant pourrait également simplifier le recyclage des batteries. Au lieu d’utiliser des produits chimiques agressifs et des températures élevées pour l’éliminer, comme c’est le cas avec les liants contenant du fluor, les chercheurs ont simplement démonté la batterie et trempé les électrodes dans de l’eau. Cela a permis de dissoudre le liant et de séparer proprement les revêtements des électrodes des feuilles de métal sans laisser de résidus. Les matériaux des électrodes récupérés ont ensuite été régénérés à l'aide de procédés de recyclage direct, puis utilisés pour fabriquer de nouvelles batteries.

Ces batteries recyclées ont donné des résultats tout aussi bons que celles fabriquées à partir de matériaux d'électrodes récupérés dans des batteries contenant un liant conventionnel à base de fluor.

Les prochaines étapes consistent à augmenter la production du liant en vue d'une fabrication à l'échelle commerciale. Les chercheurs s'attachent désormais à optimiser le liant pour différentes compositions chimiques de batteries afin d'améliorer leurs performances. Chen et son équipe prévoient de commercialiser le liant dans le cadre d'une collaboration avec des partenaires industriels.

Article original : Un liant polymère sans fluor permet la fabrication circulaire et le recyclage des batteries lithium-ion ; Nature Communications ; DOI : 10.1038/s41467-026-78215-3