Recyclage assisté des métaux stratégiques de batteries lithium-ion par chauffage micro-ondes

Microwave assisted recycling of strategic metals from lithium ion batteries

• Auteur / Autrice : Mélissa Richard
• Direction : Olivier Durupthy, Stéphanie Ognier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 06/12/2022
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Chimie de la matière condensée de Paris (1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Alexandre Chagnes
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Juliette Sirieix-Plénet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Cassayre, Lionel Estel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Millifluidique

Chauffage par microondes

Cobalt

Recyclage

Batteries lithium-ion

Mots clés libres

Recyclage

Métaux

Batteries Li-ion

Micro-ondes

Millifluidique

Recycling

Metals

Li-ion batteries

Microwave

Millifluidic

Résumé

Avec la demande croissante en véhicules électriques, la demande en cobalt, constituant important des batteries li-ion ne cesse d’augmenter. Le cobalt est considéré comme une ressource critique et le recyclage des batteries constituent une mine secondaire qu’il est indispensable d’exploiter. Le but de ce projet de thèse et ANR, est de développer un nouveau procédé de recyclage des métaux critiques des batteries au lithium ions. Ce procédé d’hydrométallurgie en flux assisté par chauffage micro-ondes réalise simultanément les étapes de lixiviation et d’’extraction du cobalt, ce qui devrait le rendre moins coûteux en énergie, plus rapide, et utilisant des volumes de réactifs moindres et donc réduisant la production de déchets chimiques. L’apport du chauffage micro-ondes est de consommer moins d’énergie, grâce à sa capacité de chauffer sélectivement la phase aqueuse, siège de la dissolution, du matériau d’électrode. En effet, le procédé est réalisé en millifluidique sous forme d’un écoulement diphasique, avec alternance de gouttes aqueuses (pour la dissolution) et organiques (pour l’extraction des ions dissouts). La dimension millimétrique est un compromis entre une faible section qui assure un fort ratio surface/volume favorisant les transferts de matières aux interfaces et une dimension suffisante pour traiter plusieurs grammes de matériaux par heure. La thèse répond à 4 objectifs : 1) L'étude de la cinétique de dissolution des matériaux de cathodes a été réalisé pour optimiser des conditions opératoires afin de dissoudre un maximum de matériau en un minimum de temps et répondre à un premier objectif : une heure pour une dissolution totale en condition millifluidique. 2) La transposition des études effectuées dans un réacteur batch agité à une échelle plus petite dans un réacteur tubulaire de faible diamètre afin de dissoudre et extraire simultanément le cobalt du matériau des batteries. 3) L’étude de la sensibilité aux micro-ondes des fluides complexes non référencé impliqué dans la dissolution et l’extraction. Utiliser les mesures expérimentales pour mettre en place des modèles numériques grâce au logiciel COMSOL permettant de comprendre les transferts de chaleurs dans le système. 4) L’étude de la possibilité d’effets non thermiques du chauffage micro-ondes justifiant les différences d’efficacité de dissolution selon les modes de chauffage. Pour cela un montage a été réalisé permettant de décorréler la puissance micro-onde imposée et la température de dissolution.

With the tremendous increase of electric vehicles market, the demand for cobalt, an important component of Li-ion batteries, is exploding. Cobalt is the considered as a critical resource and battery recycling, as a secondary mine, must be exploited. The present work proposes an innovative process for critical metals from lithium ion batteries recycling through hydrometallurgy. The usual batch process is transferred to a flow setup with assisted by microwave heating that enables simultaneous leaching and extraction the cobalt. This allows reduced energy and chemicals consumptions in continuous system . In a segmented water-kerosen flow, the selective heating the aqueous phase under microwave irradiation accelerate the dissolution of the electrode material. The presence of the water – kerosen interface allows extraction of cobalt simultaneously to its dissolution, thus increasing the LiCoO2 global dissolution rate. 1) The study of the kinetics leaching of the cathode materials was studied in order to optimize the operating conditions to leach a maximum of material in a minimum of time and to answer a first objective: one hour for a total dissolution in millifluidic condition. 2) The transposition of the studies in a stirred batch reactor to a smaller scale in a small diameter tubular reactor in order to simultaneously leach and extract the cobalt from the battery material. 3) The study of the microwave sensitivity of the complex fluids involved in the lixiviation and extraction. Use the experimental measurements to set up numerical models with the COMSOL software to understand the heat transfers in the system. 4) The study of the possibility of non-thermal effects of microwave heating justifying the differences in the leaching efficiency according to the heating modes. For this purpose, a set-up has been realized allowing to decorrelate the imposed microwave power and the dissolution temperature.