Recyclage des matériaux de cathodes des batteries Li-ion en utilisant des sels fondus

Solid-State Conversion of Positive Electrode Materials into Water-soluble Sulfates for Easier Metals Recycling of Spent Li-ion Batteries

• Auteur / Autrice : Lydia Hamitouche
• Direction : Damien Dambournet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie analytique
• Date : Soutenance le 13/12/2022
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Physicochimie des électrolytes et nanosystèmes interfaciaux (Paris ; 2014-....)
• Jury : Président / Présidente : Christel Laberty-Robert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christian Masquelier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lorenzo Stievano, Dany Carlier-Larregaray

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sels fondus

Recyclage

Batteries lithium-ion

Mots clés libres

Batteries Li-ion

Sels fondus

Recyclage

KHSO4

Li-ion batteries

Molten salts

Recycling

KHSO4

Résumé

L'exploration de nouvelles méthodes de recyclage des batteries Li-ion usagées est indispensable pour faire face à la demande croissante d'éléments stratégiques et contribuer à réduire les impacts environnementaux liés à leur extraction. De nombreuses technologies, dont le traitement mécanique, le traitement thermique et le traitement mécano-chimique, ont été développées pour recycler les LIB usagées. Dans notre projet, nous proposons une approche alternative permettant de convertir par une voie chimique les oxyde de métaux de transition lithié LiMO2 (M=Co, Ni1/3Co1/3Mn1/3, Ni0.82Co0.15Al0.03…) en produits sulfates solubles dans l'eau. Le processus comprend une réaction à l'état solide entre un matériau cathodique et le sel fondu d'hydrogénosulfate de potassium. Le traitement thermique du mélange LiMO2 et KHSO4 à 400°C pendant 4h sous air induit la formation de la langbeinite K2M2(SO4)3 et des sulfates de potassium/lithium. Les produits à base de sulfate formées sont très solubles dans l’eau, ce qui permet la récupération des métaux d’intérêt par des méthodes de précipitations sélectives. Au cours de cette thèse, nous avons étudié d'une manière profonde les mécanismes de réaction intervenant lors de la conversion des LMO en sel.

The investigation of new recycling methods for spent Li-ion batteries (LIBs) is mandatory to meet the growing demand of target elements and to contribute to the reduction of the environmental impact of their extraction. Many technologies including mechanical processing, thermal treatment and mechano-chemical processing have been developed to recycle spent LIBs. In our project, we propose an approach to chemically convert lithium transition metal oxides LiMO2 (M=Co, Ni, Mn...) into water-soluble sulfate-based products. This process involves a solid-state reaction between a cathode material of LIBs and molten salt. The heat treatment of the mixture LiMO2 and KHSO4 at 400°C induces the formation of langbeinite K2M2(SO4)3 and potassium/lithium sulfates. The obtained sulfate-based products are soluble in water, allowing for the recovery of the targeted elements by selective precipitation methods. The main interest of this work is to understand the reaction mechanism involved upon the conversion of LMO into sulfate-based products.