FR3121552A1 - Procédé de recyclage de sels de lithium issus des batteries - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un procédé de recyclage des sels de lithium contenus dans l’électrolyte d’une batterie lithium usagée, comprenant la fourniture d’un flux d’électrolyte comprenant au moins un sel de lithium, au moins un solvant d’électrolyte et de l’eau ; au moins une étape d’extraction du au moins un sel de lithium par addition d’un premier solvant dans le flux d’électrolyte pour récupérer une phase comprenant le au moins un sel de lithium d’un côté et une phase appauvrie en sel de lithium de l’autre côté. Pas de figure.
Description
Domaine de l’invention
La présente invention concerne un procédé de recyclage des sels de lithium contenus dans l’électrolyte d’une batterie lithium usagée.
Arrière-plan technique
Les batteries contenant du lithium (Li), telles que les batteries lithium-ion, sont communément utilisées dans les véhicules électriques et les appareils mobiles et portables.
Une batterie lithium-ion ou une batterie lithium-soufre comprend au moins une électrode négative (anode), une électrode positive (cathode), un électrolyte et de préférence un séparateur. L’électrolyte est généralement constitué d’un sel de lithium dissout dans un solvant qui est généralement un mélange de solvants organiques, afin d’avoir un bon compromis entre la viscosité et la constante diélectrique de l’électrolyte.
La production et l'élimination des batteries au lithium usagées est devenue une préoccupation mondiale en termes de protection de l'environnement et de recyclage des ressources.
Le recyclage des batteries vise à récupérer les métaux toxiques, rares, précieux ou économiquement valorisables présents dans les batteries. Il permet aussi de réduire la quantité de batteries retrouvée dans les ordures ménagères. Les batteries sont en effet l'une des sources d'accumulation dans l'environnement de certains métaux lourds et d'autres produits chimiques pouvant mener à la contamination du sol et la pollution de l'eau.
Il existe principalement deux types de recyclage pour une batterie Li-ion : le recyclage pyrométallurgique et le recyclage hydrométallurgique.
Le recyclage pyrométallurgique utilise des fours et des réducteurs pour produire des alliages métalliques de Co, Cu, Fe et Ni.
Le recyclage hydrométallurgique implique l'utilisation de solutions aqueuses pour lessiver les métaux cibles de la cathode.
Dans ces deux procédés de recyclage, les sels de lithium provenant de l’électrolyte, qui peut représenter jusqu’à 8% du coût de la cellule, n’est pas ou peu recyclé.
L’article de D. L. Thompsonet al.«The importance of design in lithium ion battery recycling-a critical review» (Green Chemistry, 2020) concerne le recyclage des batteries Li-ion. Cette revue se focalise sur le recyclage des éléments des matières actives des électrodes notamment de la cathode. Ce document mentionne la difficulté de recycler l’électrolyte d’une batterie Li-ion.
L’article de Weiguang Lvet al.«Selective recovery of lithium from spent lithium-ion batteries by coupling advanced oxidation processes and chemical leaching processes» (ACS Sustainable Chemistry Engineering, 2020, 8, 5165) décrit le recyclage des batteries Li-ion par des procédés d’oxydation et de lessivage chimique.
Il existe un réel besoin de fournir un procédé qui permet de récupérer et recycler, de manière efficace et avec une pureté suffisante, les sels de lithium contenus dans l’électrolyte d’une batterie de lithium.
L’invention concerne en premier lieu un procédé de recyclage des sels de lithium contenus dans l’électrolyte d’une batterie lithium usagée, comprenant :
- la fourniture d’un flux d’électrolyte comprenant au moins un sel de lithium, au moins un solvant d’électrolyte et de l’eau ;
- au moins une étape d’extraction du au moins un sel de lithium par addition d’un premier solvant dans le flux d’électrolyte pour récupérer une phase comprenant le au moins un sel de lithium d’un côté et une phase appauvrie en sel de lithium de l’autre côté.
Selon certains modes de réalisation, le au moins un sel de lithium est choisi parmi le bis(fluorosulfonyl)imidure de lithium, le 2-trifluorométhyl-4,5-dicyano-imidazolate de lithium, le bis(trifluoromethanesulfonyl)imide de lithium, le bis(oxalato)borate de lithium, le difluoroborate de lithium, le difluorophosphate de lithium et leurs mélanges, et de préférence le au moins un seul de lithium est choisi parmi le bis(fluorosulfonyl)imidure de lithium, le 2-trifluorométhyl-4,5-dicyano-imidazolate de lithium, le bis(trifluoromethanesulfonyl)imide de lithium, le bis(oxalato)borate de lithium, le difluoroborate de lithium, et leurs mélanges.
Selon certains modes de réalisation, le solvant d’électrolyte est choisi parmi les carbonates, les éthers, les esters, les cétones, les alcools, les nitriles, les amides, les sulfamides et sulfonamides, et leurs mélanges.
Selon certains modes de réalisation, le premier solvant est choisi parmi les esters, les nitriles, les éthers, les carbonates, les carbamates et leurs mélanges.
Selon certains modes de réalisation, un deuxième solvant est ajouté lors de l’extraction, le deuxième solvant étant de préférence choisi parmi les alcanes, les solvants aromatiques, les solvants chlorés, et de leurs mélanges.
Selon certains modes de réalisation, le procédé comprend au moins une étape d’extraction supplémentaire par addition d’un deuxième solvant dans la phase comprenant le au moins un sel de lithium, le deuxième solvant étant de préférence choisi parmi les alcanes, les solvants aromatiques, les solvants chlorés, et de leurs mélanges.
Selon certains modes de réalisation, le procédé comprend une étape d’addition d’un troisième solvant dans la phase comprenant le au moins un sel de lithium pour former un mélange et une étape d’évaporation pour précipiter le au moins un sel de lithium.
Selon certains modes de réalisation, le procédé comprend une étape d’évaporation de la phase comprenant le au moins un sel de lithium suivie d’une étape d’addition d’un troisième solvant pour précipiter le au moins un sel de lithium.
Selon certains modes de réalisation, le troisième solvant est choisi parmi les alcanes, les alcènes, les aromatiques, les composés chlorés et leurs mélanges.
Selon certains modes de réalisation, le flux comprenant au moins un sel de lithium, au moins un solvant d’électrolyte et de l’eau est obtenu en mettant de l’eau en contact avec une batterie de lithium usagée ou une portion de celle-ci.
Selon certains modes de réalisation, le procédé comprend la dissolution du au moins un sel de lithium recyclé dans un solvant d’électrolyte supplémentaire.
La présente invention permet de répondre au besoin exprimé ci-dessus. Elle fournit plus particulièrement un procédé qui permet de récupérer et recycler, de manière efficace et avec une pureté suffisante, les sels de lithium contenus dans l’électrolyte d’une batterie de lithium.
Cela est accompli grâce au procédé de recyclage de la présente invention. Plus particulièrement, cela est accompli grâce à l’extraction avec un premier solvant qui permet de récupérer une phase comprenant le sel de lithium intact et avec une bonne pureté, ce qui rend possible son utilisation dans une batterie lithium.
Avantageusement, l’utilisation d’un deuxième solvant permet d’éliminer la quantité d’eau résiduelle entrainée par le(s) sel(s) de lithium (par exemple lors de l’extraction).
Avantageusement, l’utilisation d’un troisième solvant permet de précipiter le sel de lithium et le récupérer sous forme de solide pouvant être dissout dans un nouveau solvant d’électrolyte.
Le procédé selon l’invention permet donc de fabriquer des batteries lithium à partir de sels de lithium recyclés ayant des bonnes propriétés et performances.
Description détaillée
L’invention est maintenant décrite plus en détail et de façon non limitative dans la description qui suit.
Batterie lithium
Une batterie lithium comprend au moins une cellule électrochimique, et de préférence une pluralité de cellules électrochimiques. Chaque cellule électrochimique comporte une électrode négative, une électrode positive et un électrolyte interposé entre l’électrode négative et l’électrode positive.
Chaque cellule électrochimique peut aussi comprendre un séparateur, dans lequel est imprégné l’électrolyte.
Les cellules électrochimiques peuvent être assemblées en série et/ou en parallèle dans la batterie.
Par «électrode négative», on entend l’électrode qui fait office d’anode, quand la batterie débite du courant (c’est-à-dire lorsqu’elle est en processus de décharge) et qui fait office de cathode lorsque la batterie est en processus de charge.
L’électrode négative comprend typiquement un matériau électrochimiquement actif, éventuellement un matériau conducteur électronique, et éventuellement un liant.
Par «électrode positive», on entend l’électrode qui fait office de cathode, quand la batterie débite du courant (c’est-à-dire lorsqu’elle est en processus de décharge) et qui fait office d’anode lorsque la batterie est en processus de charge.
L’électrode positive comprend typiquement un matériau électrochimiquement actif, éventuellement un matériau conducteur électronique, et éventuellement un liant.
On entend par «matériau électrochimiquement actif» un matériau capable d’insérer de manière réversible des ions.
On entend par «matériau conducteur électronique» un matériau capable de conduire les électrons.
L’électrode négative de la cellule électrochimique peut notamment comprendre, comme matériau électrochimiquement actif, du lithium métallique. Ce lithium métallique peut être sous forme essentiellement pure, ou sous forme d’un alliage. Parmi les alliages à base de lithium susceptibles d’être utilisés, on peut par exemple citer les alliages lithium-aluminium, les alliages lithium-silice, les alliages lithium-étain, Li-Zn, Li3Bi, Li3Cd et Li3SB. Des mélanges des matériaux ci-dessus peuvent aussi être employés.
L’électrode négative peut être sous forme de film ou de tige. Un exemple d’électrode négative peut comprendre un film de lithium vif préparé par laminage, entre des rouleaux, d’un feuillard de lithium.
L’électrode positive comprend un matériau électrochimiquement actif, de préférence de type oxyde, et de préférence choisi parmi le dioxyde de manganèse (MnO2), l’oxyde de fer, l’oxyde de cuivre, l’oxyde de nickel, les oxydes composites lithium-manganèse (par exemple LixMn2O4ou LixMnO2), les oxydes compositions lithium-nickel (par exemple LixNiO2), les oxydes compositions lithium-cobalt (par exemple LixCoO2), les oxydes composites lithium-nickel-cobalt (par exemple LiNi1-yCoyO2), les oxydes composites lithium-nickel-cobalt-manganèse (par exemple LiNixMnyCozO2avec x+y+z = 1), les oxydes composites lithium-nickel-cobalt-manganèse enrichis en lithium (par exemple Li1+x(NixMnyCoz)1-xO2), les oxydes composites de lithium et de métal de transition, les oxydes composites de lithium-manganèse-nickel de structure spinelle (par exemple LixMn2-yNiyO4), les oxydes de vanadium, et leurs mélanges.
De préférence, l’électrode positive comprend un matériau électrochimiquement actif qui est un oxyde composite lithium-nickel-manganèse-cobalt à haut taux de nickel (LiNixMnyCozO2avec x+y+z = 1, en abrégé NMC, avec x>y et x>z), ou un oxyde composite lithium-nickel-cobalt-aluminium à haut taux de nickel (LiNix’Coy’Alz’avec x’+y’+z’=1, en abrégé NCA, avec x’>y’ et x’>z’).
Des exemples particuliers de ces oxydes sont le NMC532 (LiNi0,5Mn0,3Co0,2O2), le NMC622 (LiNi0,6Mn0,2Co0,2O2) et le NMC811 (LiNi0,8Mn0,1Co0,1O2).
Le matériau de chaque électrode peut aussi comprendre, outre le matériau électrochimiquement actif, un matériau conducteur électronique comme une source de carbone, incluant, par exemple, du noir de carbone, du carbone Ketjen®, du carbone Shawinigan, du graphite, du graphène, des nanotubes de carbone, des fibres de carbone (par exemple les fibres de carbone formées en phase gazeuse ou VGCF), du carbone non-poudreux obtenu par carbonisation d’un précurseur organique, ou une combinaison de deux ou plus de ceux-ci. D’autres additifs peuvent aussi être présents dans le matériau de l’électrode positive, comme des sels de lithium ou des particules inorganiques de type céramique ou verre, ou encore d’autres matériaux actifs compatibles (par exemple, du soufre).
Le matériau de chaque électrode peut aussi comprendre un liant. Des exemples non-limitatifs de liants comprennent les liants polymères polyéthers linéaires, ramifiés et/ou réticulé (par exemple, des polymères basés sur le poly(oxyde d’éthylène) (PEO), ou le poly(oxyde de propylène) (PPO) ou d’un mélange des deux (ou un co-polymère EO/PO), et comprenant éventuellement des unités réticulables), des liants solubles dans l’eau (tels que SBR (caoutchouc styrène-butadiène), NBR (caoutchouc acrylonitrile-butadiène), HNBR (NBR hydrogéné), CHR (caoutchouc d’épichlorohydrine), ACM (caoutchouc d’acrylate)), ou des liants de type polymères fluorés (tels que PVDF (fluorure de polyvinylidène), PTFE (polytétrafluoroéthylène), et leurs combinaisons. Certains liants, comme ceux solubles dans l’eau, peuvent aussi comprendre un additif comme la CMC (carboxyméthylcellulose).
Le séparateur peut être un film polymère poreux. A titre d’exemple non limitatif, le séparateur peut être constitué d’un film poreux de polyoléfine tel que des homopolymères d’éthylène, des homopolymères de propylène, des copolymères d’éthylène/butène, des copolymères d’éthylène/héxène, des copolymères éthylène/méthacrylate, ou des structures multicouches des polymères ci-dessus.
L’électrolyte comprend au moins un sel de lithium et de préférence, il comprend une pluralité de sels de lithium.
Le sel de lithium peut être choisi parmile bis(fluorosulfonyl)imidure de lithium (LiFSI), le 2-trifluorométhyl-4,5-dicyano-imidazolate de lithium (LiTDI), le bis(trifluoromethanesulfonyl)imide de lithium (LiTFSI), le bis(oxalato)borate de lithium (LiBOB), le difluoro(oxalato)borate de lithium (LiDBOB), le difluorophosphate de lithium (LiPO2F2), le tétrafluoroborate de lithium (LiBF4), et leurs mélanges.
Selon certains modes de réalisation, le sel de lithium est choisi parmi le bis(fluorosulfonyl)imidure de lithium, le 2-trifluorométhyl-4,5-dicyano-imidazolate de lithium, le bis(trifluoromethanesulfonyl)imide de lithium, le bis(oxalato)borate de lithium, le difluoroborate de lithium, et leurs mélanges.
Selon certains modes de réalisation préférés, de l’hexafluorophosphate de lithium (LiPF6) peut être présent; dans ce cas, celui-ci se trouve en combinaison avec au moins un deuxième sel de lithium (de préférence choisi parmi la liste ci-dessus).
Le solvant d’électrolyte peut être choisi parmi les éthers, les esters, les cétones, les alcools, les nitriles, les carbonates, les amides, les sulfamides et sulfonamides et leurs mélanges.
Parmi les éthers, on peut citer les éthers linéaires ou cycliques, tels que par exemple le diméthoxyéthane (DME), les éthers méthyliques des oligoéthylène glycols de 2 à 5 unités oxyéthylènes, le dioxolane, le dioxane, le dibutyle éther, le tétrahydrofurane, et leurs mélanges.
Parmi les esters, on peut citer les esters d’acide phosphorique ou les esters de sulfite. On peut par exemple citer le formate de méthyle, l’acétate de méthyle, le propionate de méthyle, l’acétate d’éthyle, l’acétate de butyle, la gamma butyrolactone ou leurs mélanges.
Parmi les cétones, on peut notamment citer la cyclohexanone.
Parmi les alcools, on peut par exemple citer l’alcool éthylique, l’alcool isopropylique.
Parmi les nitriles, on peut citer par exemple l’acétonitrile, le pyruvonitrile, le propionitrile, le méthoxypropionitrile, le diméthylaminopropionitrile, le butyronitrile, l’isobutyronitrile, le valéronitrile, le pivalonitrile, l’isovaléronitrile, le glutaronitrile, le méthoxyglutaronitrile, le 2-méthylglutaronitrile, le 3-méthylglutaronitrile, l’adiponitrile, le malononitrile, le 1,2,6-tricyanohexane et leurs mélanges.
Parmi les carbonates, on peut citer par exemple les carbonates cycliques tels que par exemple le carbonate d’éthylène (EC) (CAS : 96-49-1), le carbonate de propylène (PC) (CAS : 108-32-7), le carbonate de butylène (BC) (CAS : 4437-85-8), le carbonate de diméthyle (DMC) (CAS : 616-38-6), le carbonate de diéthyle (DEC) (CAS : 105-58-8), le carbonate de méthyle éthyle (EMC) (CAS : 623-53-0), le carbonate de diphényle(CAS 102-09-0), le carbonate de méthyle phényle (CAS : 13509-27-8), le carbonate de dipropyle (DPC) (CAS : 623-96-1), le carbonate de méthyle et de propyle (MPC) (CAS : 1333-41-1), le carbonate d’éthyle et de propyle (EPC), le carbonate de vinylène (VC) (CAS : 872-36-6), le fluoroethylène carbonate (FEC) (CAS : 114435-02-8), le trifluoropropylène carbonate (CAS : 167951-80-6) ou leurs mélanges.
Parmi les amides, on peut citer le diméthylformamide, la N-méthylpyrrolidinone.
De manière plus préférée, le solvant d’électrolyte est choisi parmi l’EC, l’EMC, les mélanges d’EC et d’EMC, les mélanges d’EC et de DMC, les mélanges d’EC et de DEC, les mélanges d’EC et de DEC, le PC, les mélanges d’EC, de DMC et d’EMC.
De manière optionnelle, l’électrolyte peut comprendre un ou plusieurs polymères polaires. Le polymère polaire comprend de préférence des unités monomères dérivées de l'oxyde d'éthylène, l'oxyde de propylène, l'épichlorohydrine, l'épifluorohydrine, le trifluoroépoxypropane, l'acrylonitrile, le méthacrylonitrile, les esters et amides de l'acide acrylique et méthacrylique, le fluorure de vinylidène, la N-méthylpyrrolidone et/ou les polyélectrolytes de type polycation ou polyanion. Lorsque la présente composition électrolytique comprend plus d'un polymère, au moins un de ceux-ci peut être réticulé.
De plus, l’électrolyte peut comprendre un ou plusieurs additifs. Le ou les additifs peuvent être choisis parmi le groupe constitué du carbonate de fluoroéthylène (FEC), du carbonate de vinylène, du 4-vinyl-1,3-dioxolan-2-one, de la pyridazine, de la vinyl pyridazine, de la quinoline, de la vinyl quinoline, du butadiène, du sébaconitrile, des alkyldisulfure, du fluorotoluène, du 1,4-diméthoxytétrafluorotoluène, du t-butylphenol, du di-t-butylphenol, du tris(pentafluorophenyl)borane, des oximes, des époxydes aliphatiques, des biphényls halogénés, des acides métacryliques, du carbonate d’allyle éthyle, de l’acétate de vinyle, de l’adipate de divinyle, du propanesultone, de l’acrylonitrile, du 2-vinylpyridine, de l’anhydride maléïque, du cinnamate de méthyle, des phosphonates, des composés silane contenant un vinyle, et/ou du 2-cyanofurane.
Le au moins un sel de lithium peut être présent dans l’électrolyte à une teneur de 0,1 à 50% par rapport au poids de l’électrolyte.
Procédé
Le procédé selon l’invention permet de récupérer des sels de lithium qui se trouvent dans l’électrolyte d’une batterie lithium usagée et les recycler afin de les utiliser de nouveau.
Le procédé selon l’invention comprend une première étape de fourniture d’un flux d’électrolyte comprenant au moins un sel de lithium, au moins un solvant d’électrolyte et de l’eau.
Le flux d’électrolyte est issu de l’électrolyte décrit ci-dessus. Plus particulièrement, le flux d’électrolyte résulte du traitement (lavage) de l’électrolyte avec de l’eau ou un flux aqueux.
Par exemple, la batterie lithium peut d’abord être désassemblée et optionnellement broyée.
Selon certains modes de réalisation, une étape d’évaporation peut être effectuée avant le lavage de l’électrolyte afin de diminuer la teneur en solvant d’électrolyte, afin par exemple d’obtenir une teneur en sel de lithium de 5 à 90%. Cette évaporation peut par exemple être effectuée à une température de 20 à 150°C, éventuellement sous pression réduite de 0,1 à 800 mbar.
Alternativement, l’électrolyte peut être directement lavé sans évaporation préalable.
Le lavage consiste en une mise en contact d’eau (ou flux aqueux) avec la batterie ou des portions de celle-ci (par exemple les portions de la batterie après le désassemblage ou le broyage) ayant pour objet de récupérer le sel de lithium de l’électrolyte. La mise en contact peut durer de 1 h à 200 h, de préférence de 10 h à 100 h, de préférence encore de 24 h à 72 h. Elle peut être effectuée par exemple à une température de 5 à 50°C, de préférence à une température de 20 à 25°C (température ambiante).
Une filtration peut être effectuée après lavage pour retirer d’éventuelles particules solides.
De préférence, le lavage est effectué avec de l’eau déionisée.
La quantité d’eau ajoutée lors de cette étape peut être entre 0,1 et 100 fois le poids de la batterie.
Selon certains modes de réalisation, une étape d’évaporation peut être effectuée après le lavage de l’électrolyte avec de l’eau afin de diminuer la quantité d’eau dans le flux d’électrolyte. Cette évaporation peut par exemple être effectuée à une température supérieure à 30°C, et de préférence sous pression réduite de 0,1 à 800 mbar.
L’extrait sec dans le flux d’électrolyte avant l’étape d’extraction peut être de 0,1 à 50%, et de préférence de 1 à 40%.
Le flux d’électrolyte peut avoir une teneur de 0,1 à 50%, et de préférence de 1 à 40% en sel de lithium.
Le flux d’électrolyte peut avoir une teneur de 5 à 90%, et de préférence de 10 à 85% en solvant d’électrolyte.
Le procédé comprend ensuite une étape d’extraction du sel de lithium contenu dans le flux d’électrolyte avec un premier solvant. Cette étape permet de récupérer le au moins un sel de lithium dans le premier solvant.
Ainsi, lors de cette étape un premier solvant est ajouté dans le flux d’électrolyte. Suite à cette addition, deux phases distinctes sont formées ; une phase (aqueuse) appauvrie en sel de lithium et une phase (organique) comprenant le premier solvant, le solvant d’électrolyte et le(s) sel(s) de lithium. Ces deux phases sont ensuite séparées, par exemple par décantation.
Selon certains modes de réalisation, l’étape d’addition de premier solvant et séparation de phases (donc l’étape d’extraction) peut être effectuée une seule fois.
Selon des modes de réalisation préférés, cette étape peut être répétée plusieurs fois, par exemple de 2 à 10 fois, de sorte à maximiser la quantité de sel de lithium extrait du flux d’électrolyte. Pour cela, une fois la première séparation de phases effectuée, du premier solvant est rajouté dans la phase aqueuse séparée et l’étape de séparation est répétée.
Cette étape peut être effectuée à une température de 5 à 75°C.
A la fin de la ou des étapes d’extraction, les différentes phases comprenant le au moins un sel de lithium peuvent être rassemblées. Ainsi, une phase comprenant le au moins un sel de lithium est obtenue d’un côté et une phase appauvrie en sel de lithium est obtenue de l’autre côté. La phase appauvrie en sel de lithium peut également comprendre différentes impuretés comprises dans l’électrolyte.
Le premier solvant est un solvant organique de préférence polaire. Il s’agit d’un solvant immiscible dans l’eau de sorte à former deux phases une fois en contact avec de l’eau.
De préférence, le au moins un sel de lithium peut avoir une solubilité dans le premier solvant supérieure ou égale à 5% poids par rapport au poids total de la somme sel et solvant. Cette solubilité est mesurée en mettant un excès de sel de lithium dans le premier solvant, et en laissant agiter pendant 48 heures. Ensuite, le filtrage et la mesure de l’extrait sec permettent de savoir la quantité de sel de lithium solubilisée.
Selon des modes de réalisation préférés, le premier solvant peut être choisi parmi les esters, les nitriles, les éthers, les carbonates, les carbamates et leurs mélanges.
Parmi les esters on peut citer l’acétate d’éthyle, l’acétate de butyle, l’acétate d’isobutyle, le propanoate d’éthyle, le propanoate de propyle, le propanoate de butyle et le propanoate d’isobutyle.
Parmi les nitriles on peut citer le butyronitrile, l’isobutyronitrile, le pentanitrile, l’isopentanitrile, l’hexanitrile et le glutaronitrile.
Parmi les éthers on peut citer le diéthyléther, le dimethoxyéthane, le dipropyléther, le di-isobutyléther, et le dibutoxyéthane.
Parmi les carbonates on peut citer le dibutylcarbonate, le di-isobutylcarbonate et le di-t-butylcarbonate.
Parmi les carbamates on peut citer le 1,3-di-isopropylurée, le 1,3-dibutylurée et le 1,3-di-isobutylurée.
Selon des modes de réalisation préférés, le premier solvant est un ester ou un nitrile.
Le rapport massique entre le flux d’électrolyte et le premier solvant, à chaque extraction, peut varier de 0,1 à 50, et de préférence de 1 à 40.
Un deuxième solvant, différent du premier solvant, peut être employé. Le but du deuxième solvant est d’éliminer l’eau entrainée par les sels de lithium dans le premier solvant.
Selon certains modes de réalisation, le deuxième solvant peut être ajouté lors de l’extraction. Dans ce cas, la phase comprenant le au moins un sel de lithium est un mélange du premier et du deuxième solvant. Lorsque plusieurs extractions successives sont réalisées, il est possible de prévoir que certaines sont effectuées uniquement avec le premier solvant, et d’autres avec le mélange du premier et du deuxième solvant. Par exemple, on peut effectuer une ou plusieurs extractions avec le premier solvant, suivies d’une ou plusieurs extraction avec un mélange de premier solvant et deuxième solvant. Dans ce cas, lors de la ou de chaque extraction, la proportion massique de deuxième solvant par rapport au premier solvant peut être de 0,1 à 5, et de préférence de 0,15 à 4.
Alternativement, après une ou plusieurs extractions avec le premier solvant, une ou plusieurs extractions supplémentaires peuvent être effectuées avec le deuxième solvant uniquement. Dans ce cas, le deuxième solvant est ajouté dans la phase comprenant le sel de lithium résultant de l’extraction (ou les extractions) avec le premier solvant afin de séparer et éliminer de l’eau résiduelle présente dans cette phase. La proportion massique de deuxième solvant par rapport à la phase dans laquelle il est ajouté peut être de 0,1 à 5, et de préférence de 0,15 à 4. Selon certains modes de réalisation, une seule extraction supplémentaire est effectuée.
Selon des modes de réalisation préférés, une extraction supplémentaire peut être répétée plusieurs fois, par exemple de 2 à 10 fois (de la même manière que présenté ci-dessus pour le cas de l’extraction avec le premier solvant).
Dans le cas où une ou plusieurs extractions supplémentaires sont effectuées, les phases organiques récupérées après ces extractions (comprenant le au moins un sel de lithium) sont rassemblées et mélangées.
Il est préférable que le deuxième solvant soit miscible avec le premier solvant et immiscible dans l’eau. Il est encore préférable qu’il s’agisse d’un solvant organique de préférence apolaire. Ce solvant est de préférence choisi parmi les alcanes, les solvants aromatiques, les solvants chlorés, et leurs mélanges.
Parmi les alcanes on peut citer le pentane, l’hexane, l’heptane, le cyclohexane, le décane, et le dodécane.
Parmi les solvants aromatiques on peut citer le toluène et les xylènes.
Parmi les solvants chlorés on peut citer le dichlorométhane, le 1,2-dichloroéthane, le dichlorobenzène, le trichlorobenzène.
Selon certains modes de réalisation, le procédé peut en outre comprendre une étape d’évaporation de la phase comprenant le au moins un sel de lithium. Cette étape permet de réduire la quantité d’eau contenue dans cette phase a une teneur massique inférieure ou égale à 15000 ppm, et de préférence inférieure ou égale à 10000 ppm. Cette étape permet également de diminuer la quantité de solvant (premier et/ou deuxième solvant) dans la phase comprenant le au moins un sel de lithium. Par exemple, la solution résultant de cette évaporation peut avoir une teneur en solvant (premier et/ou deuxième) inférieure ou égale à 10%, et de préférence inférieure ou égale à 5%
Cette étape d’évaporation peut être effectuée à une température de 10 à 90°C, et de préférence de 20 à 80°C.
De plus, cette étape peut de préférence être effectuée sous pression réduite, à savoir de 0,1 et 800 mbar.
L’extrait sec dans le flux d’électrolyte après l’évaporation peut être de 10 à 75%, et de préférence de 5 à 60%.
A la fin de cette étape d’évaporation, un troisième solvant peut être ajouté dans la solution résultant de l’évaporation. Le but de cette addition est de précipiter le au moins un sel de lithium dans cette solution. L’ajout peut être fait dans une proportion de 0,5 à 50, et de préférence de 1 à 25 par rapport à la masse de la solution résultant de l’évaporation.
Le troisième solvant est de préférence un solvant organique, encore de préférence apolaire. Il s’agit de préférence d’un solvant qui ne solubilise pas le au moins un sel de lithium. Le troisième solvant a de préférence une température s’ébullition supérieure à celle du premier solvant. De préférence, le troisième solvant est choisi parmi les alcanes, les alcènes, les solvants aromatiques, les composés chlorés et leurs mélanges.
De préférence, le troisième solvant est différent du deuxième solvant et encore de préférence le troisième solvant est un solvant ayant un point d’ébullition élevé, par exemple un point d’ébullition supérieur à 105°C.
Parmi les alcanes on peut par exemple citer le décane, et le dodécane.
Parmi les solvants aromatiques on peut par exemple citer le toluène et les xylènes.
Parmi les solvants chlorés on peut par exemple citer le dichlorobenzène, le trichlorobenzène.
Selon des modes de réalisation préférés, le troisième solvant est un composé chloré, et encore de préférence le troisième solvant est le chlorobenzène.
Alternativement, le troisième solvant peut être ajouté dans la phase comprenant le au moins un sel de lithium. Dans ce cas, le mélange de solvant (premier et/ou deuxième et troisième) peut ensuite être évaporé de sorte à éliminer le premier et/ou le deuxième solvant et fournir une solution du au moins un sel de lithium dans le troisième solvant. Ce mode de réalisation est avantageux dans le cas où le troisième solvant présente un point d’ébullition supérieur au point d’ébullition du premier et/ou du deuxième solvant. De préférence, cette différence est d’au moins 15°C, et de préférence d’au moins 20°C. Par exemple cette différence peut être de 15 à 20°C, ou de 20 à 25°C, ou de 25 à 30°C, ou de 30 à 35°C ou de 35 à 40°C ou plus.
Cette étape peut être effectuée à une température de 10à 90°C, et de préférence de 20 et 80°C.
De plus, cette étape est de préférence effectuée sous pression réduite, à savoir de 0,1 à 800 mbar.
Le troisième solvant peut être ajouté à la phase comprenant le au moins un sel de lithium dans une quantité (ou rapport massique) de 5 à 75%, et de préférence de 10% à 65%.
Le au moins un sel de lithium peut être précipité, de préférence dans le troisième solvant.
Le sel de lithium précipité peut par exemple être récupéré par filtration. Dans certains cas, la filtration peut être suivi par un rinçage et/ou un séchage du solide obtenu.
Ainsi, le au moins un sel de lithium récupéré peut par la suite être recyclé et utilisé comme électrolyte dans une batterie lithium. Pour cela, le au moins un sel de lithium récupéré peut être ajouté dans un solvant d’électrolyte (supplémentaire) qui peut être comme définit ci-dessus.
Alternativement à l’utilisation d’un troisième solvant pour précipiter le au moins un sel de lithium, il est possible dans certains cas, notamment lorsque le premier solvant est identique au solvant d’électrolyte (supplémentaire) désiré (comme un carbonate), de poursuivre l’étape d’évaporation (de la phase comprenant le au moins un sel de lithium) et utiliser la solution obtenue après évaporation pour la fabrication d’une batterie lithium et plus particulièrement pour l’électrolyte d’une batterie lithium. Pour cela, il est préférable de poursuivre l’évaporation afin d’obtenir une solution ayant une teneur massique en eau inférieure ou égale à 300 ppm, et de préférence inférieure ou égale à 100 ppm. Dans ce cas, cette teneur peut être inférieure ou égale à 300 ppm ; ou être inférieure ou égale à 250 ppm ; ou être inférieure ou égale à 200 ppm ; ou être inférieure ou égale à 150 ppm ; ou être inférieure ou égale à 100 ppm ; ou être inférieure ou égale à 50 ppm.
Le procédé de recyclage de sels de lithium selon l’invention permet de récupérer de manière efficace les sels de lithium de l’électrolyte d’une batterie lithium et les ré-utiliser pour fabriquer des batteries lithium. Les batteries fabriquées à partir de sels de lithium recyclés selon l’invention présentent des bonnes propriétés et performances, comparables aux propriétés d’une batterie fabriquée à partir d’un électrolyte comprenant des sels de lithium neufs (non recyclés). Les batteries fabriquées à partir de sels de lithium recyclés selon l’invention présentent par exemple une puissance, et/ou une durée de vie, et/ou une résistance comparable à une batterie fabriquée à partir d’un électrolyte comprenant des sels de lithium neufs.
Exemples
Les exemples suivants illustrent l'invention sans la limiter.
Exemple 1 - comparatif
On utilise une batterie Li-ion (pouch cell NMC622/Graphite de 200 mAh) comprenant 978 µL d’un électrolyte de composition suivante : 1 mol/L de LiPF6dans un mélange d’éthylène carbonate et d’éthylméthyl carbonate avec un rapport volumique de 3 : 7 additivé avec 1 % en poids de fluoroéthylène carbonate et de 1 % en poids de vinylcarbonate.
Cette batterie après 1500 cycles de charge/décharge à 1C a été ouverte et mise en contact avec 1 L d’eau déionisée pendant 48 heures à 25°C. La solution a été filtrée puis concentrée sous vide à 45°C jusqu’à obtenir un extrait sec de 40 %. La solution obtenue est inhomogène avec une partie solide et une partie liquide. L’extraction de cette solution avec 4 x 20 g d’acétate de butyle a été effectuée.
L’analyse RMN19F ne montre pas de présence d’anion PF6-dans la solution organique obtenue.
L’analyse chromatographie ionique en cation ne montre pas la présence de cations lithium.
Exemple 2 - selon l’invention
On utilise une batterie Li-ion (pouch cell NMC622/graphite de 200 mAh) comprenant 978 µL d’un électrolyte de composition suivante : 0,9 mol/L de LiFSI, 0,05 mol/L de LiTDI et 0,05 mol/L de LiPF6dans un mélange d’éthylène carbonate et d’éthylméthylcarbonate avec un rapport volumique de 3 : 7 additivé avec 2 % en poids de fluoroéthylène carbonate.
Cette batterie après 1500 cycles de charge/décharge à 1C a été ouverte et mise en contact avec 1 L d’eau déionisée. La solution obtenue a ensuite été filtrée et concentrée à 45°C sous pression réduite jusqu’à obtenir un extrait sec de 40 %.
L’extraction de cette solution concentrée a été effectuée avec de l’acétate de butyle (4 x 20 g). Les phases organiques ont été rassemblées et concentrées sous pression réduite à 50°C jusqu’à obtenir un extrait sec de 45%. La teneur en eau du concentrat obtenue était de 5232 ppm.
Du chlorobenzène (200 g) a ensuite été ajoutée à la solution précédente et l’acétate de butyle a été éliminé par évaporation sous pression réduite à 60°C. Un solide blanc s’est formé et a été récupéré par filtration, rincé avec du chlorobenzène (3 x 50 g) et séché sous vide. L’analyse19F RMN donne la composition massique suivante pour le solide obtenu : 92,4 % de LiFSI et 7,6 % de LiTDI. L’analyse chromatographie ionique montre 9 ppm de fluorure et 24 ppm de sulfate.
Exemple 3 - selon l’invention
Le solide de l’exemple 2 a ensuite été utilisé comme matière première pour fabriquer un nouvel électrolyte ayant la composition suivante : 0,9 mol/L de LiFSI, 0,05 mol/L de LiTDI et 0,05 mol/L de LiPF6dans un mélange d’éthylène carbonate et d’éthylméthylcarbonate avec un rapport volumique de 3 : 7 additivé avec 2 % en poids de fluoroéthylène carbonate. Ainsi, une batterie Li-ion (pouch cell NMC622/Graphite de 200 mAh) contenant 979 µL de cet électrolyte recyclé a été chargée et déchargée durant 1500 cycles à un régime de C à une température de 25°C. Les résultats en cyclage d’un électrolyte frais (non recyclé) et de l’électrolyte recyclé sont comparés dans le tableau ci-dessous :
| Electrolyte frais | Electrolyte recyclé | |
| Capacité irréversible (mA.h) | 17,5 | 17,8 |
| Polarisation (mV) | 93 | 90 |
| Capacité initiale (mA.h) | 147,3 | 144,9 |
| Capacité à 1000 cycles (mA.h) | 131,5 | 129,6 |
| Perte en capacité à 1000 cycles (%) | 10,7 | 10,6 |
Comme illustré dans le tableau ci-dessus, l’électrolyte recyclé présente des performances similaires à l’électrolyte frais en termes de capacité irréversible, polarisation et perte de capacité. La capacité initiale est différente du fait de la variabilité dans la fabrication de ce type de batterie. Ces résultats confirment que le procédé de recyclage selon l’invention permet d’obtenir des sels de lithium ayant une pureté suffisante pour être réutilisés comme matières premières.
Claims (11)
- Procédé de recyclage des sels de lithium contenus dans l’électrolyte d’une batterie lithium usagée, comprenant :
- la fourniture d’un flux d’électrolyte comprenant au moins un sel de lithium, au moins un solvant d’électrolyte et de l’eau ;
- au moins une étape d’extraction du au moins un sel de lithium par addition d’un premier solvant dans le flux d’électrolyte pour récupérer une phase comprenant le au moins un sel de lithium d’un côté et une phase appauvrie en sel de lithium de l’autre côté.
- Procédé selon la revendication 1, dans lequel le au moins un sel de lithium est choisi parmi le bis(fluorosulfonyl)imidure de lithium, le 2-trifluorométhyl-4,5-dicyano-imidazolate de lithium, le bis(trifluoromethanesulfonyl)imide de lithium, le bis(oxalato)borate de lithium, le difluoroborate de lithium, le difluorophosphate de lithium et leurs mélanges, et de préférence le au moins un seul de lithium est choisi parmi le bis(fluorosulfonyl)imidure de lithium, le 2-trifluorométhyl-4,5-dicyano-imidazolate de lithium, le bis(trifluoromethanesulfonyl)imide de lithium, le bis(oxalato)borate de lithium, le difluoroborate de lithium, et leurs mélanges.
- Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le solvant d’électrolyte est choisi parmi les carbonates, les éthers, les esters, les cétones, les alcools, les nitriles, les amides, les sulfamides et sulfonamides, et leurs mélanges.
- Procédé selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel le premier solvant est choisi parmi les esters, les nitriles, les éthers, les carbonates, les carbamates et leurs mélanges.
- Procédé selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel un deuxième solvant est ajouté lors de l’extraction, le deuxième solvant étant de préférence choisi parmi les alcanes, les solvants aromatiques, les solvants chlorés, et de leurs mélanges.
- Procédé selon l’une des revendications 1 à 4, comprenant au moins une étape d’extraction supplémentaire par addition d’un deuxième solvant dans la phase comprenant le au moins un sel de lithium, le deuxième solvant étant de préférence choisi parmi les alcanes, les solvants aromatiques, les solvants chlorés, et de leurs mélanges.
- Procédé selon l’une des revendications 1 à 6, comprenant une étape d’addition d’un troisième solvant dans la phase comprenant le au moins un sel de lithium pour former un mélange et une étape d’évaporation pour précipiter le au moins un sel de lithium.
- Procédé selon l’une des revendications 1 à 6, comprenant une étape d’évaporation de la phase comprenant le au moins un sel de lithium suivie d’une étape d’addition d’un troisième solvant pour précipiter le au moins un sel de lithium.
- Procédé selon la revendication 7 ou 8 dans lequel le troisième solvant est choisi parmi les alcanes, les alcènes, les aromatiques, les composés chlorés et leurs mélanges.
- Procédé selon l’une des revendications 1 à 9, dans lequel le flux comprenant au moins un sel de lithium, au moins un solvant d’électrolyte et de l’eau est obtenu en mettant de l’eau en contact avec une batterie de lithium usagée ou une portion de celle-ci.
- Procédé selon l’une des revendications 1 à 10, comprenant la dissolution du au moins un sel de lithium recyclé dans un solvant d’électrolyte supplémentaire.
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| CAS, no. 4437-85-8 |
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