Le véhicule électrique (VE) est un mode de transport important, écologique et respectueux de l'environnement. Il repose sur des batteries lithium-ion. Bien que la durée de vie d'une batterie de véhicule électrique (VEV) soit relativement longue, il arrive un moment où ses performances diminuent et nécessitent sa mise au rebut. Avec le vieillissement d'une batterie, une couche d'interface électrolytique solide (SEI) se dépose sur l'électrode (référence 1). Cela entrave le mouvement des ions lithium à la surface de la cathode, ce qui dégrade les performances de la batterie. Selon l'United States Advanced Battery Consortium (USABC), une VEV doit être mise au rebut lorsque ses performances atteignent 80 % de sa capacité nominale. C'est ce qu'on appelle la fin de vie (EOL) de la batterie.
Lorsqu'une batterie EVB atteint sa fin de vie, plusieurs options s'offrent à vous : recyclage, incinération, mise en décharge et réutilisation. Le recyclage implique l'utilisation de produits chimiques qui altèrent le matériau de la cathode et réduisent les performances de la batterie recyclée. L'incinération libère des gaz toxiques et des métaux lourds dans l'environnement. Les décharges sont également vulnérables à la toxicité des batteries et peuvent mélanger des métaux lourds aux eaux.
Une solution efficace pour traiter les électrodes de batterie en fin de vie consiste à éliminer le SEI déposé afin de pouvoir réutiliser la batterie. L'utilisation de solvants est possible, mais ces derniers risquent d'altérer la composition chimique de l'électrode et d'en dégrader les performances. Une autre méthode consiste à utiliser le nettoyage au laser Méthode sans contact, sans milieu secondaire et respectueuse de l'environnement, les débris ablatés étant collectés par une pompe à vide. Très économique, cette méthode n'endommage pas les électrodes si les paramètres de fonctionnement du laser sont correctement choisis. Dans une étude, un laser Nd:YAG de seconde harmonique à 532 nm a été utilisé pour nettoyer et activer la surface d'une électrode en platine et en carbone vitreux (référence 2). Dans une autre étude, un laser Er:YAG proche infrarouge a été utilisé pour retirer le vernis de peintures (référence 3).
Dans l'étude qui fait l'objet de cette note de synthèse, un laser Nd:YAG à 1064 nm a été utilisé pour nettoyer le SEL d'une batterie Li:Ion en forme de poche (référence 1). Les cellules rechargeables lithium-ion étaient constituées d'une cathode LiFePO4 et d'anodes en carbone avec du carbonate de diméthyle comme électrolyte. Les paramètres du laser ont été soigneusement choisis de manière à obtenir une fluence suffisante pour éliminer la couche SEI. Une fréquence de répétition d'impulsion de 20 Hz, une largeur d'impulsion de 0,5 ms et une énergie d'impulsion de 0,4 à 0,28 ont été utilisées comme paramètres laser. La fluence du laser (énergie/unité de surface) a eu un impact important sur les performances de nettoyage et a été ajustée soit en faisant varier l'énergie d'impulsion, soit en faisant varier la distance par rapport à la surface de la cathode. Des énergies d'impulsion laser de 0,4 à 4 joules ont été utilisées à des distances allant de 14 à 34 cm. Cela a donné des fluences allant de 0,035 J/mm² à 0,169 J/mm². Après le retrait de la couche SEI comme indiqué sur la figure 1, un microscope électronique à balayage (MEB) et un FTIRont été utilisés pour évaluer la qualité et la transmission de la surface de l'électrode. La figure 1 illustre le schéma de retrait du SEI.
Figure 1 : Élimination du SEI à l'aide d'un laser pulsé et examen au MEB
L'image SCM avant et après le nettoyage est présentée dans la figure 2. On peut voir que la rugosité de surface pour le nettoyage au laser la surface a été considérablement réduite, ce qui indique l'élimination du SEL
Figure 2 : SEL nettoyé de l'électrode à l'aide d'un nettoyage laser
Les résultats du MEB montrent qu'à faible fluence (0,035 J/mm²), le SEL n'est pas complètement éliminé et qu'à très forte fluence (0,169 J/mm²), une fusion se produit et la cathode est endommagée. La fluence optimale pour éliminer tout le SEL sans faire fondre la cathode est de 0,142 J/mm² (4 joules, 34 cm de distance). FTIRles mesures ont également montré que la transmission de la cathode augmentait avec nettoyage au laserde la surface et l'élimination du SEL.
En résumé, il a été démontré que le nettoyage au laser du SEL de la surface de la cathode pour LIB à la fin de vie est une méthode sûre, rentable, respectueuse de l'environnement et sans dommage.
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Références :
1-Reconditionnement de cathodes de batteries secondaires lithium-ion en fin de vie par rayonnement laser Nd:YAG, W.Liu et.al, technologies propres et politique environnementale, juillet 2015.
2- Activation laser des électrodes de carbone. Relation entre les effets de surface induits par laser et l'activation du transfert d'électrons. Poon et al., Anal Chemo 60 : 1725-1730 (1988)
3-Nettoyage de surface des œuvres d'art par rayonnement laser pulsé UV, VIS et IR, J. Marczak, Salimbeni R (éd.) Techniques et systèmes laser en conservation d'art. SPIE, Bellingham (2001).