Comment extraire le lithium des piles ? - Équipement de protection de l'environnement de Tianyicheng

Qu'est-ce que l'extraction des piles au lithium ?
Extraction de la pile au lithium désigne les processus par lesquels le lithium est séparé et récupéré à partir de sources primaires, telles que les saumures naturelles, les minerais ou les batteries lithium-ion usagées, en utilisant des méthodes chimiques, mécaniques et électrochimiques. À partir des minerais, le lithium est généralement récupéré par des procédés tels que le grillage et la lixiviation ; à partir des saumures, des techniques telles que les bassins d'évaporation ou l'extraction directe du lithium (DLE) capturent les ions Li⁺ ; et lorsqu'il s'agit d'extraire le lithium, les techniques de séparation et de récupération du lithium sont utilisées dans la plupart des cas. recyclage des piles au lithiumPour récupérer les sels de lithium (par exemple Li₂CO₃ ou LiOH), on a recours au broyage mécanique, à l'hydrométallurgie, à la lixiviation par solvant et à la séparation électrochimique. Ces méthodes permettent de mettre en place une économie circulaire pour le lithium, réduisant ainsi la dépendance à l'égard des ressources minérales fraîches.

Pour bien comprendre si l'extraction des piles au lithium est possible, il convient d'approfondir la question.

Les sections suivantes révèlent à la fois les défis et les opportunités - lisez la suite.

Table des matières

Peut-on extraire le lithium des piles ?

Oui, il est possible d'extraire le lithium des batteries lithium-ion usagées, et cette approche attire de plus en plus l'attention en raison de l'augmentation des déchets de batteries et de la demande de matériaux critiques. Dans le cadre du recyclage des batteries, l'extraction du lithium est une étape cruciale : elle implique le démontage des cellules, la séparation des composants et l'application de procédés chimiques ou électrochimiques pour isoler les composés de lithium des matériaux de la cathode, des électrolytes et d'autres phases.

Lorsque les batteries arrivent en fin de vie, elles contiennent généralement du lithium dans des matériaux cathodiques tels que LiCoO₂, LiFePO₄, LiNiMnCo (NMC) ou LiNiCoAl (NCA). L'extraction commence par prétraitement mécaniqueoù les modules sont déchargés, déchiquetés et séparés en fractions (métaux, plastiques, poudres de matières actives). Après la séparation, lixiviation hydrométallurgique est souvent utilisée : un réactif acide (par exemple, acide sulfurique, acide chlorhydrique) ou alcalin dissout le lithium et d'autres ions métalliques dans une solution. Une séparation sélective (extraction par solvant, échange d'ions, précipitation) permet ensuite d'isoler le lithium des métaux co-dissous (cobalt, nickel, manganèse). La solution de lithium nettoyée est convertie en carbonate de lithium, en hydroxyde de lithium ou en sulfate de lithium, qui peuvent être réutilisés dans la fabrication de nouvelles batteries.

Il y a aussi le recyclage direct (ou recyclage axé sur la réparation)Cette voie réduit l'utilisation d'énergie et de produits chimiques et contourne en partie la séparation complète, tout en constituant une forme d'extraction des piles au lithium puisque le lithium est restauré en composés utilisables. Cette méthode réduit l'utilisation d'énergie et de produits chimiques et contourne en partie la séparation complète, tout en constituant une forme d'extraction des piles au lithium, puisque le lithium est restitué sous forme de composés utilisables.

En résumé, l'extraction des piles au lithium est techniquement viable. Grâce aux progrès de l'ingénierie des procédés, les taux de récupération continuent de s'améliorer, ce qui favorise une chaîne d'approvisionnement en lithium plus durable.

Quelle est la difficulté d'extraire le lithium ?

L'extraction du lithium, que ce soit à partir de piles usagées ou de sources vierges, présente des défis à la fois techniques et économiques. La difficulté provient de la complexité chimique, de la sélectivité de la séparation, de la consommation d'énergie et de réactifs, et des contraintes environnementales.

Tout d'abord, le lithium n'est pas toujours abondant en concentrations élevées par rapport à d'autres métaux. Dans de nombreux flux de piles recyclées, le lithium coexiste souvent avec le cobalt, le nickel, le manganèse, le cuivre, le fer, l'aluminium et d'autres matériaux. Atteindre l'objectif de séparation sélective L'extraction du lithium à partir de ces métaux, en particulier lorsque leurs chimies ioniques se chevauchent, n'est pas une mince affaire. Le processus d'extraction doit éviter les pertes ou les contaminations excessives, qui dégraderaient la pureté du produit ou réduiraient le rendement.

Deuxièmement, les étapes de prétraitement et de démantèlement nécessitent beaucoup de main-d'œuvre et d'énergie. Le démontage des éléments de batterie, la garantie de la sécurité (neutralisation de la charge résiduelle, prévention des courts-circuits ou des risques d'incendie), la séparation des matières plastiques et des pièces structurelles, et le broyage (déchiquetage, concassage) nécessitent une conception et des investissements minutieux.

Troisièmement, la consommation de réactifs et la production de déchets constituent des contraintes. Dans de nombreux procédés hydrométallurgiques, de grandes quantités d'acides, de bases ou de solvants organiques sont utilisées. La gestion de ces produits chimiques, la récupération ou la neutralisation des réactifs usés et la minimisation des flux de déchets ajoutent à la complexité et aux coûts. Le facteur de consommation d'énergie (chauffage, agitation, unités de séparation) contribue également aux coûts d'exploitation et à l'impact sur l'environnement.

Quatrièmement, l'extraction du lithium doit être compétitive par rapport à la production de lithium primaire. Pour être compétitif, le lithium récupéré doit être d'une grande pureté et livré à un coût comparable à celui du lithium extrait des mines ou des saumures. L'échelle est également importante : seul un débit suffisamment important permet d'amortir les coûts d'investissement et d'exploitation.

Enfin, les facteurs réglementaires, sécuritaires et logistiques ajoutent à la difficulté. La manipulation des déchets de piles implique des protocoles de sécurité, le transport de matières dangereuses et le respect des réglementations environnementales. La variabilité de la composition chimique et de la forme des piles (cylindriques, en poche, prismatiques) ajoute une charge d'ingénierie supplémentaire.

Ainsi, bien que techniquement réalisable, l'extraction des batteries au lithium doit relever des défis importants en matière de conception de processus, d'économie, de pureté et de réglementation.

Comment extraire le lithium d'une pile

Cette section présente une procédure généralisée pour extraction des piles au lithium (à partir de batteries lithium-ion usagées) par des approches hydrométallurgiques, ainsi que par des voies alternatives ou hybrides.

1. Collecte, décharge et traitement de sécurité des piles

Les batteries usagées sont d'abord collectées et entièrement déchargées (pour éliminer l'énergie électrique restante), souvent à l'aide de bains d'eau salée ou de charges résistives. Des mesures de sécurité sont ensuite prises pour éviter l'emballement thermique ou les courts-circuits (par exemple en sectionnant les bornes, en séparant les modules).

2. Prétraitement et séparation mécaniques

Les modules ou packs de batteries sont désassemblés manuellement en cellules. Les cellules sont déchiquetées ou broyées dans des environnements contrôlés (souvent sous atmosphère inerte) pour produire un mélange de poudre, de métaux, de plastiques et de feuilles d'aluminium. Les techniques de séparation physique (séparation magnétique, tamisage, séparation par densité) permettent de séparer les composants : métaux ferreux, feuilles d'aluminium/cuivre, séparateurs de polymères, boîtiers de cellules résiduelles et poudres actives de cathode/anode.

3. Lixiviation / Dissolution

Les poudres de cathode active contenant du lithium sont dissoutes dans une solution aqueuse. Les agents de lixiviation courants comprennent l'acide sulfurique (H₂SO₄), l'acide chlorhydrique (HCl) complété par des agents réducteurs (par exemple peroxyde d'hydrogène, dioxyde de soufre) pour améliorer la dissolution. L'étape de lixiviation convertit le lithium et d'autres métaux (Co, Ni, Mn, etc.) en formes ioniques solubles, par exemple Li⁺, Co²⁺, Ni²⁺, Mn²⁺.

4. Purification et séparation

Une fois en solution, des techniques de séparation sélective sont appliquées pour isoler le lithium des autres ions métalliques :

Extraction par solvantl'utilisation de solvants organiques avec des ligands sélectifs qui lient de préférence le cobalt, le nickel, etc., en laissant le lithium en phase aqueuse
Échange d'ions / adsorptionLes résines spécialisées ou les sorbants capturent les impuretés métalliques ou fixent sélectivement le lithium.
PrécipitationsAjustement du pH ou ajout de réactifs pour précipiter d'autres hydroxydes ou sulfures métalliques, en laissant le lithium en solution.
Séparation par membrane / électrodialyseLes systèmes d'information sur la santé : l'application de membranes ou de champs électriques pour différencier sur la base de la taille ou de la charge des ions.

5. Récupération et conversion du lithium

Une fois purifiée, la solution contenant du lithium est transformée en un composé solide de lithium. Voies d'accès courantes :

Précipitation du carbonate de lithium: ajout de carbonate de sodium (Na₂CO₃) pour précipiter Li₂CO₃.
Production d'hydroxyde de lithium: par réaction avec de l'hydroxyde de sodium ou conversion de Li₂CO₃
Récupération électrochimiqueL'utilisation de l'électrolyse pour plaquer le lithium ou convertir les ions en composés de lithium.

6. Raffinement et réutilisation des produits

Les sels de lithium précipités sont lavés, séchés et raffinés pour obtenir une pureté digne d'une batterie. Les impuretés telles que le sodium, le magnésium, le calcium ou les métaux de transition résiduels doivent être éliminées à des niveaux acceptables (< parties par million). Le produit final à base de lithium peut entrer dans la fabrication de batteries ou être vendu à des marchés chimiques.

Méthodes alternatives / hybrides

Recyclage direct (relithiation)Au lieu de dissoudre complètement la cathode, le matériau de la cathode est relithiqué et recouvert, ce qui permet de préserver la structure cristalline et d'économiser les étapes de séparation.
Méthodes électrométallurgiques / sels fondusL'extraction du lithium par électrolyse de sels fondus à haute température ou par réduction sélective, bien que plus exotique et plus énergivore.
Extraction sélective à l'aide de nouveaux adsorbants ou tamis ioniquesLe développement de nouveaux matériaux (membranes sélectives au lithium, polymères à empreintes ioniques) est en cours afin d'améliorer la sélectivité et de réduire l'utilisation de réactifs.

Dans la pratique, les systèmes industriels peuvent combiner plusieurs opérations unitaires, optimiser le recyclage des réactifs et adapter les étapes à des chimies de batteries spécifiques.

Existe-t-il un moyen écologique d'extraire le lithium ?

Oui : les chercheurs et l'industrie développent et déploient activement des méthodes plus durables et à faible impact pour la production d'électricité. extraction des piles au lithium qui réduisent les déchets, l'énergie, la consommation d'eau et les émissions. Vous trouverez ci-dessous des stratégies et des technologies prometteuses visant à une récupération du lithium respectueuse de l'environnement.

Hydrométallurgie verte et réactifs en circuit fermé

Une approche consiste à concevoir des systèmes de réactifs en boucle fermée, dans lesquels les acides, les bases, les solvants et les additifs sont recyclés, réutilisés ou régénérés, ce qui minimise l'apport de nouveaux produits chimiques et les rejets de déchets. Par exemple, la récupération de l'acide usé par précipitation ou séparation par membrane réduit la consommation d'acide frais. Les sels usés et les sous-produits peuvent être neutralisés ou réutilisés.

Lixiviation douce / à basse température

L'utilisation d'agents de lixiviation doux (acides organiques, biolixiviation, acides faibles) à température et pression ambiantes réduit la consommation d'énergie et l'utilisation de produits chimiques agressifs. Certains procédés utilisent l'acide citrique, l'acide acétique ou des solvants eutectiques profonds comme agents de lixiviation plus écologiques.

Recyclage direct / Relithiation

En évitant la dissolution complète, le recyclage direct (relithiating cathode materials) permet d'économiser de l'énergie et d'éviter la production de grands volumes de lixiviats. Cette méthode permet d'éviter de nombreuses étapes de purification. L'intégrité structurelle des matériaux actifs étant préservée, le processus est intrinsèquement plus respectueux de l'environnement.

Liquides ioniques et solvants verts

L'utilisation de liquides ioniques, d'électrolytes eau dans le sel, de solvants eutectiques profonds ou d'autres nouveaux systèmes de solvants permet une dissolution sélective du lithium avec une volatilité, une toxicité ou des déchets moindres. Ces milieux plus écologiques peuvent réduire les émissions et améliorer la sélectivité de la séparation.

Méthodes électrochimiques et membranaires

La séparation par membrane, l'électrodialyse, la déionisation capacitive ou les cellules électrochimiques peuvent séparer sélectivement les ions lithium sans produits chimiques lourds. Associées à des sources d'énergie renouvelables (solaire, éolienne), ces méthodes permettent de réduire considérablement l'empreinte carbone.

Biométallurgie / Biolixiviation

Les micro-organismes (bactéries, champignons, algues) capables de solubiliser les métaux (bien qu'à des taux faibles) sont à l'étude. Bien qu'encore naissante, la biolixiviation offre des stratégies à faible consommation d'énergie et de produits chimiques, en particulier pour certains flux de batteries ou de matières premières de faible qualité.

Intégration avec les énergies renouvelables et la chaleur résiduelle

L'utilisation de la chaleur résiduelle, de la chaleur solaire ou de l'électricité renouvelable dans les processus d'extraction permet de réduire la consommation nette d'énergie et l'intensité des émissions de carbone.

Évaluation du cycle de vie et optimisation des processus

Le respect de l'environnement dépend également de la minimisation des émissions dues au transport, de l'optimisation du rendement de la récupération du lithium (réduisant ainsi la demande d'extraction), du traitement sûr des déchets, du recyclage des sous-produits et du choix de matériaux durables pour les réacteurs, les séparateurs ou les catalyseurs. Un rapport complet ACV (analyse du cycle de vie) oriente les choix de processus afin de garantir que l'itinéraire de recyclage présente un avantage net pour l'environnement par rapport à l'extraction de matières vierges.

En résumé, des méthodes d'extraction des batteries au lithium plus respectueuses de l'environnement apparaissent et sont en cours d'amélioration. Bien qu'il reste des défis à relever en termes d'échelle et de coût, la transition vers une récupération écologique et circulaire du lithium est en cours.

En conclusion, L'extraction du lithium des piles usagées est techniquement possible, bien qu'elle implique des problèmes complexes de séparation, de sécurité et d'économie. Les progrès réalisés dans le domaine des solvants plus écologiques, du recyclage direct, des approches électrochimiques et des systèmes en circuit fermé laissent entrevoir des voies d'extraction des piles au lithium plus durables et plus évolutives.