La technique de chauffage flash extrait les métaux précieux des déchets de batteries rapidement et à moindre coût – Physics World

Une nouvelle façon rentable de récupérer les métaux directement à partir des déchets de batteries lithium-ion pourrait réduire considérablement l’impact environnemental de ces appareils omniprésents tout en réduisant de près de 100 le temps nécessaire à leur recyclage. Développée par des scientifiques de l'Université Rice aux États-Unis, la technique est connue sous le nom de chauffage flash Joule et a déjà été utilisée pour récupérer des métaux précieux à partir d'autres formes de déchets électroniques sans solvants toxiques et avec moins d'énergie que les méthodes de laboratoire actuelles.

« Actuellement, 95 % des batteries ne sont pas recyclées parce que nous n'avons pas la capacité de les recycler, alors même que les déchets électroniques augmentent à un rythme annuel de 9 % », déclare Visite de James, le nanoscientifique de Rice qui a dirigé le projet. La récente popularité des voitures électriques ajoute à l'urgence du problème, ajoute-t-il : « Les batteries des véhicules électriques durent environ 10 ans, et beaucoup d'entre elles arrivent à échéance maintenant, car cela fait environ 10 ans que nous les utilisons. »

Les batteries usagées qui ne sont pas recyclées finissent pour la plupart dans les décharges, tout comme de nombreuses autres formes de déchets électroniques (e-waste). C’est mauvais pour l’environnement, car les déchets électroniques contiennent souvent des métaux lourds, dont certains sont toxiques. Il s’agit également d’une opportunité commerciale manquée, puisque les déchets électroniques pourraient en principe être une source importante et durable de métaux précieux tels que le rhodium, le palladium, l’argent et l’or, ainsi que d’éléments moins coûteux comme le chrome, le cadmium, le plomb et le mercure.

Le problème est que les méthodes de recyclage des déchets électroniques sont loin d’être parfaites. Les plus courantes sont basées sur la pyrométallurgie, qui consiste à créer une soupe de métaux en fusion à haute température. Ces méthodes manquent de sélectivité, sont gourmandes en énergie et produisent des fumées dangereuses contenant des métaux lourds, en particulier lorsque les déchets contiennent des métaux à points de fusion relativement bas comme le mercure, le cadmium ou le plomb.

D’autres techniques font appel à l’hydrométallurgie, qui consiste à extraire les métaux des déchets électroniques à l’aide d’acides, de bases ou de cyanure. Bien que ces méthodes soient plus sélectives, elles produisent de grandes quantités de déchets liquides ou boueux et impliquent des réactions chimiques cinétiquement lentes et donc difficiles à intensifier. "De nombreux processus actuels de recyclage des batteries impliquent l'utilisation d'acides très forts, et ceux-ci ont tendance à être des processus compliqués et fastidieux", observe Tour.

Une autre alternative, la biométallurgie, sépare les métaux en exploitant les processus biologiques naturels des micro-organismes, mais cette famille prometteuse de techniques en est encore à ses balbutiements.

Parti en un éclair

En 2020, Tour et ses collègues de Rice ont développé un moyen de produire du graphène à partir de sources de carbone telles que les déchets alimentaires et le plastique. Plus tard, ils ont adapté cette méthode de chauffage flash Joule pour récupérer les métaux précieux des déchets électroniques et éliminez les substances toxiques du matériau restant.

La technique fonctionne parce que les pressions de vapeur des métaux contenus dans les déchets électroniques sont très différentes de celles d’autres composants de déchets tels que le carbone, la céramique et le verre. Dans un processus appelé séparation par évaporation, les chercheurs vaporisent ces métaux dans une chambre flash en appliquant une intense impulsion de courant d'une durée inférieure à 1 seconde, chauffant les déchets à 3400 XNUMX K.

Les vapeurs sont ensuite transportées sous vide de la chambre flash vers un piège froid où elles se condensent en leurs éléments constitutifs, explique Bing Deng, membre de l'équipe. Le mélange métallique dans le piège peut ensuite être purifié davantage à l’aide de méthodes de raffinage établies.

Activer la masse noire

Dans leur dernière étude, Tour et ses collègues ont étendu ce processus à ce que l'on appelle la masse noire, qui est les déchets combinés provenant de la cathode et de l'anode des batteries lithium-ion. En utilisant l’approche de chauffage Joule, l’équipe a chauffé la masse noire à des températures supérieures à 2100 XNUMX K en quelques secondes. Ce traitement ultrarapide à haute température élimine la couche inerte des métaux de la batterie tout en abaissant également l'état d'oxydation de la masse noire, lui permettant d'être dissoute dans un acide dilué.

"Ce que nous avons découvert, c'est que si vous "flashez" la masse noire, vous pouvez alors facilement séparer les métaux critiques en utilisant uniquement de l'acide chlorhydrique à faible concentration", explique Tour. « On pourrait dire que le flash libère les métaux, donc ils se dissolvent plus facilement. Nous utilisons toujours de l'acide, mais beaucoup moins.

Grâce à cette méthode, l’équipe a récupéré plus de 98 % du métal provenant de divers types de déchets de batteries mélangés. De plus, la dissolution des déchets prend moins de 20 minutes, contre 24 heures avec les méthodes traditionnelles.

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« L'industrie essaie traditionnellement de recycler la masse noire, mais les stratégies de recyclage actuelles sont limitées par les procédures de traitement complexes ainsi que par la consommation importante d'énergie et de CO.₂ émissions », explique Weiyin Chen, membre de l’équipe. "Le résultat le plus important de notre processus est de réduire de 10 fois la consommation d'acide et de 100 fois le temps nécessaire au recyclage."

Les chercheurs de Rice déclarent qu'ils cherchent désormais à étendre leur technique de recyclage. "Nous avons déjà démontré une récupération au niveau du kilogramme dans notre laboratoire et le processus flash-Joule pourra probablement être intégré dans un système continu à l'avenir", explique Chen. Monde de la physique.

Ils décrivent leur travail dans Science Advances.

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• La source: https://physicsworld.com/a/flash-heating-technique-extracts-valuable-metals-from-battery-waste-quickly-and-cheaply/