Recyclage des métaux stratégiques de batteries Li-ion par CO2 supercritique assisté par polymères et par mécanochimie.

Recycling of strategic metals from lithium-ion batteries using supercritical CO2 assisted by polymers, and using mechanochemistry

• Auteur / Autrice : Joshua Vauloup
• Direction : Laure Monconduit, Patrick Lacroix-desmazes
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie et Physico-Chimie des Matériaux
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 15/11/2024
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Chimiques
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ICGM - Institut Charles Gerhardt de Montpellier
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : D2 - Chimie et Matériaux Macromoléculaires
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Pellet-rostaing
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laure Monconduit, Domitille Giaume, Mathias Destarac, Patrick Lacroix-desmazes, Virginie Nachbaur, Nicolas Coppey
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Domitille Giaume, Mathias Destarac

Mots clés

Mots clés libres

Recyclage

Batterie Li-ion

CO2 supercritique assisté par polymères

Mécanochimie

Recycling

Li-ion battery

Supercritical CO2 assisted by polymers

Mechanochemistry

Résumé

Cette thèse, au sein du projet RECUBAT, se concentre sur le développement de procédés innovants de recyclage pour les batteries lithium-ion (LIB) visant à réduire l’émission de pollution secondaire générée par les procédés conventionnels, en mettant l'accent sur la récupération des métaux stratégiques. Le projet explore deux technologies principales : 1) la mécanochimie, avec le broyage planétaire à haute énergie afin d’extraire sélectivement le cobalt par réduction ou de lixivier les matériaux cathodiques à l'aide d'acides organiques et 2) l'extraction au dioxyde de carbone supercritique (scCO₂) assistée par des polymères pour lixivier et extraire sélectivement les métaux. La mécanochimie permet une réduction efficace du cobalt avec un rendement élevé sans utiliser de solvant toxique ni de réactifs onéreux. La lixiviation assistée par mécanochimie permet de récupérer plus de 97 % de Li et 99 % de Co du dioxyde de cobalt et de lithium (LCO) en utilisant peu de réactifs et d’eau. La lixiviation et l’extraction par scCO₂ atteint environ 75 % de récupération du Co et du Li en utilisant l’éthanol comme réducteur et un copolymère CO2-phile avec des groupements acides phosphoniques. Le scCO2 est également utilisé pour l’extraction sélective du Co2+ par rapport au Li+ via l’utilisation d’un copolymère porteur d'unités pyridines. Ces processus visent à minimiser la consommation d'eau et l'utilisation de solvants dangereux afin d’offrir des alternatives plus vertes aux procédés hydrométallurgiques actuels.

This PhD work within the RECUBAT project focuses on the development of innovative lithium-ion batteries (LIBs) recycling processes aimed at reducing secondary pollution produced by conventional processes, with an emphasis on the recovery of strategic metals. This work explores two main technologies: 1) the mechanochemistry, using high-energy planetary ball milling to selectively extract cobalt through reduction or to leach cathode materials using organic acids, and 2) the polymer-assisted extraction utilizing supercritical carbon dioxide (scCO₂) for both leaching and selective extraction. Mechanochemistry enables effective cobalt reduction with high yield without using toxic solvents or expensive reagents for the purpose of magnetic selective extraction of metallic cobalt. Mechanochemistry-assisted leaching recovers over 97% of lithium and 99% of cobalt from lithium cobalt oxide (LCO) with minimal reagents and water. The scCO₂ leaching and extraction achieves approximately 75% recovery of Co and Li using ethanol as a reductant and a CO₂-philic copolymer with phosphonic acid groups. ScCO₂ is also used for the selective extraction of Co²⁺ compared to Li⁺ using a copolymer with pyridine units. These approaches aim to minimize water consumption and the use of hazardous solvents, offering greener alternatives to current hydrometallurgical processes.