Brevet FR3092702A1 — publié le 20200814

Description Titre de l'invention : Procédé d'extraction de lithium d'une batterie électrique comprenant du lithium métallique solide. [0001] La présente invention concerne un procédé d'extraction de lithium d'une batterie comprenant du lithium métallique solide. [0002] Le domaine de l'invention est le domaine des batteries à base de lithium métallique solide, et en particulier des batteries Lithium-Métal-Polymère, et encore plus particulièrement le domaine du recyclage de ces batteries. Etat de la technique [0003] On connait des batteries à base de lithium métallique solide, telles que par exemple les batteries Lithium-Métal-Polymère (LMP"). Ces batteries sont de plus en plus utilisées, par exemple dans des véhicules électriques ou dans des stations d'alimentation électrique. Ainsi, le nombre de batteries LMP° augmente sans cesse depuis plusieurs années. [0004] La durée de vie des batteries LMP® n'est pas infinie et il parait nécessaire de recycler ces batteries. Or, même en fin de vie, une batterie LMP® comprend encore du lithium métallique solide, qui peut être réutilisé dans d'autres batteries ou dans d'autres domaines, et dont la valeur est non négligeable. [0005] Cependant, il n'existe actuellement aucune technique permettant de récupérer de manière satisfaisante le lithium métallique solide dans une batterie. 100061 Un but de la présente invention est de remédier à cet inconvénient. 100071 Un autre but de -l'invention est de proposer un procédé de récupération du lithium métallique solide dans un ensemble d'au moins une cellule de stockage d'énergie électrique. 100081 Un autre but de -l'invention est de proposer un procédé de récupération du lithium métallique solide dans un ensemble d'au moins une cellule de stockage d'énergie électrique, de manière simple. 100091 Un autre but de l'invention est de proposer un procédé de récupération du lithium métallique solide dans un ensemble d'au moins une cellule de stockage d'énergie électrique, de manière efficace. Exposé de l'invention [0010] L'invention permet d'atteindre au moins l'un de ces buts par un procédé d'extraction de lithium d'un ensemble d'au moins une cellule de batterie électrique comprenant du lithium métallique solide, telle qu'une batterie Lithium-Métal-Polymère, ledit procédé comprenant une phase d'extraction comprenant les étapes suivantes : positionnement dudit ensemble dans une orientation dans laquelle une 2 première bordure dudit ensemble d'où dépasse(nt) une (ou des) électrode(s) négative(s) se trouve en dessous d'une deuxième bordure dudit ensemble, opposée à ladite première bordure, et d'où dépasse(nt) une (ou des) électrode(s) positive(s) ; et chauffage dudit ensemble à une température, dite de traitement, supérieure ou égale à la température de fusion dudit lithium métallique solide. [0011] Le procédé selon l'invention propose de récupérer le lithium d'une batterie comprenant du lithium solide, en traitant les cellules composant ladite batterie individuellement ou ensemble. [0012] De plus, le procédé selon l'invention propose de récupérer le lithium métallique solide d'un ensemble d'au moins une cellule à l'état liquide, en chauffant ledit ensemble de cellule(s) à une température de traitement supérieure à la température de fusion du lithium métallique solide. Le lithium métallique, une fois fondu, s'évacue naturellement de chaque cellule, sous l'effet de la force de gravité. Ainsi, le procédé selon l'invention permet une récupération simple et peu complexe du lithium métallique solide. [0013] En outre, le procédé selon l'invention propose une orientation spécifique de chaque cellule, cette dernière étant au minimum inclinée, de sorte que la première bordure d'où dépasse l'électrode négative se trouve en dessous du niveau de la deuxième bordure, opposée à la première bordure, d'où dépasse l'électrode positive. Une telle orientation de chaque cellule permet d'une part de faciliter l'écoulement du lithium fondu hors de la cellule par gravité, et d'autre part d'éviter un contact entre le lithium fondu et l'électrode positive ou le collecteur de courant de l'électrode positive, un tel contact pouvant provoquer un court-circuit électrique ou un arc électrique, un tel court-circuit pouvant provoquer un incendie. [0014] Dans la présente demande, par « cellule de stockage d'énergie électrique » on entend un ensemble comprenant, au moins : une électrode négative formée par, ou comprenant, une couche de lithium métallique solide ; une électrode positive, un électrolyte solide, en particulier comprenant du sel de lithium, disposée entre l'électrode positive et l'électrode négative, et un collecteur de courant du côté de l'électrode positive. [0015] Dans la présente demande, le « lithium métallique solide » peut comprendre : du lithium métallique pur ; ou une combinaison d'au moins un alliage de lithium métallique ; ou une combinaison de lithium métallique pur et d'au moins un alliage de lithium métallique. 3 [0016] Lorsque le « lithium métallique solide » comprend une combinaison de différentes formes de lithium, telles que celles indiquées ci-dessus, présentant différentes températures de fusion, alors l'étape de chauffage réalise un chauffage de l'ensemble de cellule(s) une température de traitement supérieure ou égale à : la plus basse desdites différentes températures de fusion ; et préférentiellement, la plus haute desdites différentes températures de fusion. [0017] Suivant un exemple de réalisation non limitatif, la température de traitement est su- périeure ou égale à 180.5°C. [0018] Suivant un exemple de réalisation, la température de traitement est inférieure ou égale à une température maximale, par exemple de 300 °C. [0019] L'ensemble peut comprendre une seule ou unique cellule. [0020] L'ensemble peut comprendre plusieurs cellules assemblées, ou en particulier empilées, suivant une direction d'assemblage. La direction d'assemblage peut être perpendiculaire au plan formé par chaque cellule. [0021] En particulier, l'ensemble peut correspondre à une batterie dans laquelle les cellules sont reliées en série. [0022] Suivant un mode de réalisation préféré, l'étape de positionnement peut réaliser une mise en position verticale dc l'ensemble dc cellule(s), dans laquelle la première bordure se trouve vers le bas. [0023] Ainsi, l'écoulement du lithium fondu hors de chaque cellule, par gravité, est amélioré. [0024] De plus, le risque de contact entre le lithium fondu et la (ou les) électrode(s) positive(s) est diminué, voire nul. [0025] Préférentiellement, l'étape de chauffage de l'ensemble de cellule(s) peut être réalisée sous gaz inerte. [0026] Ainsi, le procédé selon l'invention diminue des risques d'accidents, en particulier les risques d'incendie. [0027] De plus, le procédé selon l'invention permet d'éviter la formation de composés polluants pouvant être générée par des réactions physico-chimiques non désirées, voire non contrôlées, lors de l'extraction du lithium. [0028] Suivant un exemple de réalisation non limitatif, le gaz inerte peut être, ou comprendre, l'un quelconque des gaz suivants : l'hélium (He), le néon (Ne), l'argon (Ar), le krypton (Kr), le xénon (Xe) et le radon (Rn). [0029] Suivant un autre mode de réalisation, l'étape de chauffage de l'ensemble de cellule(s) peut être réalisée sous vide. [0030] Suivant une caractéristique particulièrement avantageuse, le procédé selon l'invention peut en outre comprendre, avant la phase d'extraction, une étape de chargement électrique de l'ensemble de cellule(s), ladite phase d'extraction étant appliquée audit ensemble chargé. [0031] Le fait de charger électriquement la ou les cellules, et de réaliser la phase d'extraction sur les cellules électriquement chargées, permet d'augmenter le rendement d'extraction de lithium. En effet, le chargement électrique d'une cellule permet de déplacer les ions de lithium vers l'électrode négative, ce qui permet d'augmenter la quantité de lithium récupérable. [0032] Chaque cellule peut être chargée de manière individuelle, ou par chargement électrique de l'ensemble de cellule(s). [0033] Suivant un mode de réalisation particulièrement avantageux, la phase d'extraction peut en outre comprendre une étape de compression de l'ensemhle de cellule(s). [0034] Ainsi, le lithium fondu est forcé à s'évacuer hors de chaque cellule, ce qui augmente la quantité de lithium récupérée. [0035] L'étape de compression peut être réalisée, de manière continue, tout au long de la phase d'extraction. Dans ce cas, chaque cellule est soumise à une compression, en partie ou en totalité, pendant toute la durée de la phase d'extraction. [0036] Alternativement, l'étape de compression peut être réalisée de manière discrète, une ou plusieurs fois, pendant la phase d'extraction. Dans ce cas, la phase d'extraction comporte des moments où l'ensemble de cellule(s) n'est pas soumis à une compression. [0037] Avantageusement, l'étape de compression peut appliquer une compression sur la surface de l'ensemble de cellule(s) en balayant la surface dudit ensemble depuis la deuxième bordure vers la première bordure. Ainsi, le lithium fondu est amené/guidé progressivement vers la première bordure d'où dépasse(nt) une (ou des) électrode(s) négative(s), ce qui augmente la quantité de lithium récupérée et diminue le risque de contact entre le lithium et la (ou les) électrode(s) positive(s). [0038] Par exemple, l'étape de compression peut être réalisée par passage de l'ensemble de cellule(s) entre deux rouleaux. [0039] Suivant un autre exemple, l'étape de compression peut être réalisée par un rouleau de compression venant comprimer l'ensemble de cellule(s) contre une surface d'appui. [0040] La compression peut être appliquée par passages successives, chaque passage balayant la surface de l'ensemble de cellule(s) en commençant par la deuxième bordure vers la première bordure. [0041] L'espace entre les rouleaux de compression, respectivement entre le rouleau de com- pression et la surface (l'appui, peut correspondre à l'épaisseur de l'ensemble de cellule(s) moins l'épaisseur de la, ou des, couche(s) de lithium métallique solide(s). Cela permet (l'appliquer une compression, tant qu'il reste du lithium solide dans l'ensemble de cellule(s). [0042] L'espace entre les deux rouleaux de compression, respectivement entre le rouleau de compression et la surface d'appui, peut être diminué au fur et à mesure des passages successifs, de sorte à toujours appliquer une compression sur l'ensemble de cellulc(s). [0043] La vitesse de passage entre les rouleaux de compression, respectivement du rouleau de compression, et plus généralement la vitesse de balayage, peut être comprise entre quelques mm à quelques dizaines de mm, par seconde. [0044] En outre, le procédé selon l'invention peut comprendre, avant la phase d'extraction, une étape d'enlèvement d'au moins un connecteur électrique d'au moins une également appelée « crimp » en anglais. [0045] Cela permet de faciliter le traitement de l'ensemble de cellulc(s). [0046] En outre, le procédé selon l'invention peut comprendre, avant la phase d'extraction, une étape d'enlèvement des débordements de matière au niveau d'au moins une, et particulièrement de chaque, bordure de l'ensemble de cellule(s). [0047] Suivant un autre aspect de la même invention, il est proposé une installation d'extraction de lithium d'un ensemble d'au moins une cellule de batterie électrique comprenant du lithium métallique solide, telle qu'une batterie LithiumMétal-Polymère, ladite installation comprenant : un moyen de positionnement dudit ensemble dans une orientation dans laquelle une première bordure dudit ensemble d'où dépasse(nt) une (ou des) électrode(s) négative(s) se trouve en dessous d'une deuxième bordure dudit ensemble, opposée à ladite première bordure, et d'où dépasse(nt) une (ou des) électrode(s) positive(s) ; et un moyen de chauffage configuré pour chauffer ledit ensemble à une température de traitement supérieure ou égale à la température de fusion dudit lithium métallique solide.. [0048] De manière générale, l'installation comprend des moyens configurés pour mettre en oeuvre une combinaison quelconque d'au moins une des caractéristiques décrites plus haut, et qui ne sont pas reprises ici en détail par souci de concision. [0049] En particulier, le moyen de chauffage peut comprendre une étuve. [0050] Avantageusement, l'étuve peut être remplie d'un gaz inerte, ou être mise sous vide. [0051] L'installation selon l'invention peut comprendre en outre un moyen de compression de l'ensemble de cellule(s). [0052] Le moyen de compression peut comprendre au moins un rouleau. [0053] En particulier, le moyen de compression peut comprendre un unique rouleau venant comprimer l'ensemble de cellule(s) contre une surface d'appui. La surface d'appui peut être chauffée pour accélérer la montée en température de l'ensemble de cellule(s). [0054] Alternativement, le moyen de compression peut comprendre deux rouleaux entre lesquels est passé l'ensemble de cellule(s). [0055] De manière générale, le moyen de compression peut être configuré pour appliquer 6 une compression continue, tout au long de la phase d'extraction. [0056] Alternativement, le moyen de compression peut être configure pour appliquer une compression de manière discrète dans le temps, une ou plusieurs fois, pendant la phase d'extraction. Dans ce cas, la phase d'extraction comporte des moments où l'ensemble de cellule(s) n'est pas soumis à une compression. [0057] Avantageusement, le moyen de compression peut être configure pour appliquer une compression, de valeur constante ou variable, de manière progressive ou par balayage sur la surface de l'ensemble de cellule(s), depuis la deuxième bordure vers la première bordure. Ainsi, le lithium fondu est amené/guidé progressivement vers la première bordure se trouvant en position basse, ce qui augmente la quantité de lithium récupérée et diminue le risque de contact entre le lithium et la ou les électrode(s) positive(s). [0058] Dans le cas de l'utilisation d'un ou de deux rouleaux de compression, alors la com- pression peut être appliquée sur l'ensemble de cellules par passages successifs. Chaque passage applique une compression par balayage sur la surface de l'ensemble de cellule(s), depuis la deuxième bordure vers la première bordure. A la fin de chaque passage, la compression peut être arrêtée, en écartant les rouleaux ou en écartant le rouleau de la surface d'appui, pour revenir à la deuxième bordure en vue de recommencer un nouveau passage. [0059] La distance entre les rouleaux, respectivement entre le rouleau de compression et la surface d'appui, peut être diminuée au fur et à mesure des passages, et en particulier entre deux passages successifs. [0060] Le procédé selon l'invention peut être mis en oeuvre pour traiter plusieurs ensembles de cellule(s), en particulier plusieurs ensembles de cellules formant un pack batterie et connectés entre eux en parallèle au sein dudit pack batterie. [0061] Au moins deux ensembles de cellule(s) peuvent être alignées côte à côte, sans se recouvrir, par exemple dans une direction parallèle à la première bordure. [0062] Dans ce cas, la compression peut être appliquée à au moins deux ensembles de cellule(s) par un même moyen de compression, à savoir un ensemble de rouleaux, ou un rouleau coopérant avec une surface d'appui. Description des figures et modes de réalisation [0063] D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront à l'examen de la description détaillée de modes de réalisation nullement limitatifs, et des dessins annexés sur lesquels : la FIGURE 1 est une représentation schématique d'un exemple de réalisation non limitatif d'une cellule au sens de la présente invention ; la FIGURE 2 est une représentation schématique d'un exemple de réalisation non limitatif d'un ensemble de cellules au sens de la présente invention ; la FIGURE 3 est une représentation schématique d'un premier exemple de 7 réalisation non limitatif d'un procédé selon l'invention ; la FIGURE 4 est une représentation schématique d'un deuxième exemple de réalisation d'un procédé selon l'invention ; et la FIGURE 5 est une représentation schématique d'un exemple de réalisation non limitatif d'une installation selon l'invention. [0064] Il est bien entendu que les modes de réalisation qui seront décrits dans la suite ne sont nullement limitatifs. On pourra notamment imaginer des variantes de l'invention ne comprenant qu'une sélection de caractéristiques décrites par la suite, isolées des autres caractéristiques décrites, si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieure. Cette sélection comprend au moins une caractéristique de préférence fonctionnelle sans détail structurel, ou avec seulement une partie des détails structurels si cette partie est uniquement suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieure. [0065] Sur les figures, les éléments communs à plusieurs figures conservent la même référence. [0066] La FIGURE 1 est une représentation schématique d'un exemple de réalisation non limitatif d'une cellule au sens de la présente invention. [0067] La cellule 100, représentée sur la FIGURE 1, comprend une électrode négative 102 formée par, ou comprenant, une couche de lithium métallique solide. [0068] La cellule 100 comprend en outre une électrode positive 104. L'électrode positive 104 est généralement formée par une couche de composite à base de polymère et de matière active. [0069] Une couche 106 d'électrolyte solide est disposée entre l'électrode négative 102 et l'électrode positive 104. Cette couche d'électrolyte solide 106 peut par exemple comprendre du sel de lithium. [0070] La cellule 100 comprend en outre un collecteur de courant 108 du côté de l'électrode positive 104. Le collecteur de courant 108 est généralement réalisé en aluminium. [0071] De manière classique, l'électrode négative 102 de la cellule 100 dépasse des autres éléments de la cellule 100 du côté d'une première bordure 110 de la cellule 100, et l'électrode positive 104 et/ou le collecteur 108 de la cellule 100 dépasse(nt) des autres éléments de la cellule 100 du côté d'une deuxième bordure 112, opposée à la première bordure 110. [0072] Bien entendu, la cellule 100 représentée sur la FIGURE 1, est une version de réa- lisation très simplifiée, donnée à titre d'illustration nullement limitative. La cellule au sens de la présente invention peut comprendre d'autre couches que celles indiquées, ou des couches dont la composition est différente de la composition donnée ici à titre 8 d'exemple non limitatif [0073] La FIGURE 2 est une représentation schématique d'un exemple de réalisation non limitatif d'un ensemble de cellule(s) au sens de la présente invention. [0074] L'ensemble de cellule 200, représenté sur la FIGURE 2, comprend une ou plusieurs cellules au sens de la présente invention. [0075] En particulier, l'ensemble de cellule 200 comprend plusieurs cellules 1001-1000, identiques, assemblées suivant une direction 202 perpendiculaire au plan de chaque cellule 100,. [0076] Chaque cellule 100, peut être identique à la cellule 100 de la FIGURE 1. [0077] De plus, entre deux cellules adjacentes 100,-100'1, avec i