Nouvelle méthode de désactivation de batteries Li-ion de véhicules électriques en vue de leur recyclage : étude des phénomènes mis en jeu

New method for deactivating Electric Vehicle Li-ion batteries before recycling : Study of the phenomena involved

• Auteur / Autrice : Julia Levy
• Direction : Anass Benayad, Emmanuel Billy, Hélène Porthault
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, électrochimie, génie civil
• Date : Soutenance le 13/12/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Département des technologies des nouveaux matériaux (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : François Tran-Van
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre-Xavier Thivel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : François Tran-Van, Damien Aureau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Catalyseurs -- Empoisonnement

Accumulateurs -- Recyclage

Mots clés libres

Batterie

Recyclage

Désactivation

Mise en sécurité

Pré-Traitement

Battery

Recycling

Deactivation

Pre-Treatment

Résumé

L’essor rapide du véhicule électrique, associé à l’augmentation de la production des batteries lithium-ion, engendre une demande croissante en matières premières. Le développement de cette filière est ainsi associé à une forte tension sur l’approvisionnement des ressources requises pour la fabrication des batteries. A cela, s’ajoutent des enjeux environnementaux, stratégiques et législatifs, avec la prescription de taux de recyclage et de réutilisation des matériaux composant les batteries.Pour répondre simultanément à l’ensemble des objectifs, les procédés de recyclage des batteries de véhicules électriques doivent être efficients, durables et économiquement viables. La première étape du recyclage est une étape de mise en sécurité. Cette étape est cruciale pour la suite du procédé: elle a pour vocation de supprimer les risques associés à l’énergie résiduelle stockée dans les batteries (inflammation, explosion, risque électrique) afin que les opérations suivantes (séparation, purification, etc.) soient exemptes de ces dangers.Depuis 2019, le CEA et Orano développent une nouvelle approche permettant la mise en sécurité des batteries au niveau module dans une solution de décharge. Cette approche est novatrice (non présente dans l’état de l’art antérieur) et sa mise en œuvre récente. Ainsi, aucune étude des phénomènes entrainant la décharge n’a à ce jour été effectuée.L’objectif de la thèse est d’apporter des éléments de compréhension sur les étapes et les limitations de cette voie de décharge afin de permettre son optimisation à l’échelle pilote. Pour se faire, un procédé de décharge à l’échelle du laboratoire a été mis en place en développant un dispositif représentatif du procédé pilote. Ce dispositif a permis d’étudier les cinétiques de décharge et de faire le lien entre processus électrochimiques et évolution des interfaces au moyen de spectroscopie XPS et d’imagerie MEB/EDX. Grâce à ce protocole, le courant de décharge a pu être dissocié en plusieurs composantes. Ces composantes résultent d’une multitude de phénomènes (réactions d’oxydo-réduction, corrosion, électrodéposition, etc.). Une analyse comparant les cinétiques de décharge à l’échelle du laboratoire et à l’échelle pilote a montré que ces phénomènes contribuent de manière inégale à la décharge. L’étude de différentes conditions opératoires (nature de la solution, température, agitation, etc.) à l’aide du dispositif développé a confirmé la présence d’un phénomène majoritaire lors de la mise en sécurité des cellules/modules.

The rapid expansion of the electric vehicle, combined with increased production of lithium-ion batteries, is creating a growing demand for raw materials. The development of this sector is therefore associated with considerable pressure on the supply of resources required for battery manufacture. Added to this are environmental, strategic and legislative challenges, with the requirement to recycle and reuse battery materials.To meet all these objectives simultaneously, recycling processes for electric vehicle batteries need to be efficient, sustainable and economically viable. The first step in recycling is to make the batteries safe. This step is crucial for the rest of the process: its purpose is to eliminate the risks associated with the residual energy stored in the batteries (ignition, explosion, electric risk) so that subsequent operations (separation, purification, etc.) are free from these hazards.Since 2019, CEA and Orano have been developing a new approach for making batteries safe at module level in a discharge solution. This approach is innovative (not present in the previous state of the art) and its implementation is recent. As such, no study of the phenomena leading to discharge has yet been carried out.The aim of this thesis is to provide an understanding of the stages and limitations of this discharge method, so that it can be optimized on a pilot scale. To achieve this, a laboratory-scale discharge process was set up by developing a device representative of the pilot process. This device was used to study discharge kinetics and to establish the link between electrochemical processes and interface evolution using XPS spectroscopy and SEM/EDX imaging. Thanks to this protocol, the discharge current could be dissociated into several components. These components result from a multitude of phenomena (oxidation-reduction reactions, corrosion, electrodeposition, etc.). An analysis comparing discharge kinetics at laboratory and pilot scale showed that these phenomena contribute unevenly to the discharge. The study of different operating conditions (nature of solution, temperature, agitation, etc.) using the developed device confirmed the presence of a majority phenomenon during cell/module safety.