Un concept matériel pourrait faciliter le recyclage des batteries

Rendu de batteries fabriquées à partir d'un nouveau matériau électrolytique (Photo : avec l'aimable autorisation de l'équipe de recherche du MIT)

Une équipe du MIT (Massachusetts Institute of Technology) a publié un article décrivant le développement d'un matériau qui peut être utilisé comme électrolyte dans une batterie à l'état solide, mais qui peut ensuite retrouver ses composants moléculaires d'origine lorsqu'il est immergé dans un liquide organique.

Ce matériau offrirait une alternative au processus actuel de recyclage des batteries, qui consiste à déchiqueter le paquet pour former une « masse noire », qui doit ensuite être soumise à une série de processus chimiques pour récupérer chaque matériau recyclable.

« Jusqu'à présent, dans l'industrie des batteries, nous nous sommes concentrés sur des matériaux et des conceptions hautement performants, et ce n'est que plus tard que nous avons essayé de comprendre comment recycler les batteries fabriquées avec des structures complexes et des matériaux difficiles à recycler », a déclaré Yukio Cho, premier auteur de l'article.

Notre approche consiste à partir de matériaux facilement recyclables et à trouver comment les rendre compatibles avec les batteries. Concevoir des batteries recyclables dès le départ est une approche innovante.

Les électrolytes présents dans la plupart des batteries Li-ion sont hautement inflammables et se dégradent avec le temps pour produire des sous-produits toxiques qui nécessitent une manipulation particulière.

Pour créer un électrolyte plus durable, l’équipe a utilisé une classe de molécules appelées amphiphiles aramides (AA), dont la structure et la stabilité sont censées imiter le Kevlar (le matériau utilisé dans les gilets pare-balles).

Les chercheurs ont ensuite conçu des AA intégrant du polyéthylène glycol (PEG) à chaque extrémité de la molécule. Lorsque ces molécules modifiées sont exposées à l'eau, elles forment spontanément des nanorubans dotés de surfaces en PEG conductrices d'ions et d'une base imitant le Kevlar par des liaisons hydrogène étroites. Cette structure en nanoruban peut conduire les ions à travers sa surface en PEG.

Lorsqu'ils sont ajoutés à l'eau, des millions de nanorubans s'auto-assemblent pour former une masse qui peut être pressée à chaud pour obtenir un matériau à l'état solide.

« Le matériau est composé de deux parties », explique Cho. « La première est cette chaîne flexible qui constitue un nid, ou un hôte, pour les ions lithium. La seconde est ce composant organique résistant utilisé dans le Kevlar. Ce sont ces composants qui assurent la stabilité de l'ensemble. »

Cinq minutes après avoir été ajoutée à l'eau, la solution prend une consistance gélatineuse, ce qui indique que le nombre de nanorubans formés dans le liquide est tel qu'ils commencent à s'entremêler. Ce qui est passionnant, c'est que nous pouvons fabriquer ce matériau à grande échelle grâce à son auto-assemblage.

L'équipe a ensuite construit une cellule à semi-conducteurs utilisant une cathode en phosphate de lithium-ion et une anode en oxyde de lithium-titane, deux matériaux courants dans les batteries modernes. Les nanorubans ont permis de déplacer les ions lithium entre les électrodes, mais il a été constaté que la polarisation limitait le mouvement des ions lithium pendant la charge et la décharge. Cela a réduit les performances par rapport aux batteries de référence.

« Les ions lithium se déplacent correctement le long de la nanofibre, mais le transfert de l'ion lithium des nanofibres vers l'oxyde métallique semble être le point le plus lent du processus », a déclaré Cho.

Une fois immergé dans un solvant organique, le matériau se dissout immédiatement, chaque partie du matériau se détachant, ce qui contribue au recyclage efficace des matériaux individuels.

Cho a déclaré que le matériau est une preuve de concept qui démontre l'approche du recyclage en premier.

Nous ne prétendons pas avoir résolu tous les problèmes avec ce matériau. Les performances de notre batterie n'étaient pas exceptionnelles, car nous l'utilisions uniquement comme électrolyte pour le papier. Cependant, nous envisageons de l'utiliser comme couche d'électrolyte. Il n'est pas nécessaire d'utiliser l'électrolyte dans son intégralité pour lancer le processus de recyclage.

L’équipe va maintenant chercher à optimiser les performances du matériau, tout en explorant les moyens d’intégrer ces matériaux dans les conceptions de batteries existantes.

« Il est très difficile de convaincre les fournisseurs existants de faire quelque chose de radicalement différent », a déclaré Cho. « Mais avec les nouveaux matériaux de batterie qui pourraient apparaître d'ici cinq ou dix ans, il pourrait être plus facile de les intégrer dès le départ dans les nouvelles conceptions. »