Brevet FR3139015A1 — publié le 20240301

La présente invention concerne une installation pour la production d’électrodes pour batteries lithium-ion comportant un poste d’enduction de matières actives sur cathodes dans un solvant constitué de NMP, et un poste d’enduction de matières actives sur anodes dans un solvant aqueux, ladite installation comportant un système (500) de condensation et de récupération de NMP au sécheur de cathodes (100) caractérisé en ce que le flux traité par ledit système (500) de condensation et de récupération de NMP est constitué par une partie comprise entre 15 et 90 % du flux issu dudit sécheur de cathodes (100). Figure de l’abrégé : figure 1 INSTALLATION POUR LA PRODUCTION D’ELECTRODES POUR BATTERIES Domaine de l’invention La présente invention concerne le domaine de la récupération du NMP (N-méthyl-2-pyrrolidone) et des installations pour la récupération du NMP. Le NMP est un solvant polaire avec une forte sélectivité et stabilité, largement utilisé dans le domaine de l’électronique et des batteries, se présentant sous la forme d’un liquide huileux transparent incolore avec une légère odeur d’amine. Le NMP présente une faible volatilité, une bonne stabilité thermique et chimique, et peut s’évaporer avec la vapeur d’eau. Il est sensible à la lumière et présente un point d’ébullition à 202°C à la pression atmosphérique. Il est facilement soluble dans l’eau, l’éthanol, l’éther, l’acétone, l’acétate d’éthyle, le chloroforme et le benzène, et peut dissoudre la plupart des composés organiques et inorganiques, des gaz polaires, des composés polymères naturels et synthétiques. Le NMP est notamment utilisé dans des industries telles que la fabrication d'électrodes cathodiques pour les batteries au lithium, les médicaments, les pesticides, les pigments, les agents de nettoyage et les matériaux isolants. Pour la production de batteries lithium-ion, des feuilles d’aluminium ou de cuivre revêtues de matières actives diluées dans le solvant organique NMP afin de lier les ions de lithium aux feuilles support. Les feuilles ainsi enduites sont ensuite placées dans un sécheur pour évaporer le NMP. Il en résulte des vapeurs polluantes formées d’un mélange d’air et de NMP. Ces vapeurs sont dangereuses pour l’environnement et la santé et en outre rapidement inflammables et de surcroît conduisent à une consommation importante de NMP s’il n’est pas récupéré et recyclé. Il est connu de récupérer la vapeur dans une tour de récupération pour réduire les problèmes environnementaux et économiques. Les procédés consistent habituellement à ajouter de l’eau constituant un absorbant du NMP à cette vapeur. Dans le conteneur, la vapeur chaude de NMP se mélange à l’eau froide, la concentration de NMP dans l’air diminue et la concentration dans l’eau augmente. Le NMP change d’état d’agrégation et devient liquide et n’est plus hautement inflammable. L’eau devient tiède. La technologie existante de récupération et de purification des déchets liquides de NMP réalise principalement la NMP par distillation sous vide. En plus de l'objectif d'élimination de l'eau et des solides, le produit fini de NMP peut être recyclé. Avec le développement de la technologie des batteries lithium-ion, le recyclage de ce solvant constitue un enjeu majeur pour économiser les ressources de production et protéger l’environnement. Le NMP présente des procédures de recyclage malaisées car la NMP est sujette à l'oxydation en présence d'air, produisant des substances acides, notamment sous l'action combinée de l'eau, de l'air et des hautes températures. Etat de la technique On connaît dans l’état de la technique le brevet chinois CN107626186B décrivant un procédé de récupération de gaz résiduaire de N-méthyl pyrrolidone dans la production d'une batterie lithium-ion par un procédé de séparation membranaire, en particulier un procédé de couplage de N-méthyl pyrrolidone par couplage d'une membrane filtrante céramique et d'une membrane de pervaporation. Ce brevet propose une solution consistant à extraire la NMP dans le liquide d'absorption à une concentration plus élevée en utilisant les gaz d'échappement NMP dans le processus de production de l'électrode de la batterie lithium-ion, puis en filtrant à travers la membrane céramique dans des conditions de basse température. Les impuretés macromoléculaires telles que poudres et particules y sont piégées, et le filtrat de la membrane céramique est envoyé vers la membrane de pervaporation pour déshydratation. Ce procédé de séparation par membrane de l’art antérieur comprend les étapes suivantes : Une première étape, où la pièce polaire de la batterie au lithium revêtue de la bouillie contenant le solvant NMP est séchée ; Une deuxième étape, où les gaz d'échappement sont envoyés à la tour d'absorption et dilué dans l'eau utilisée comme solvant pour l'absorption, de sorte que la concentration de NMP dans le liquide d'absorption au bas de la tour est augmentée à au moins 65 % en poids ; la température du liquide absorbant est de 5 à 60°C, typiquement de 20 à 50°C et la concentration de NMP dans le liquide d'absorption au fond de la colonne est de 75 % voire 80% en poids Une troisième étape d’envoi du liquide d'absorption du fond vers une membrane céramique poreuse pour filtration dans un mode de fonctionnement de filtration à flux croisés ; le diamètre moyen des pores de la membrane céramique poreuse est de 2 à 50 nm, plus préférentiellement de 5 à 20 nm ; et la température de fonctionnement est de 5 à 50°C, plus préférentiellement de 15 à 45°C, plus préférentiellement de 20 à 40°C ; pression de filtration 0,1 à 1 Mpa Une quatrième étape, d’envoi de ce filtrat vers une membrane de pervaporation pour déshydratation afin de récupérer de la NMP. Il s’agit d’une membrane de pervaporation de type perméation, plus préférablement une membrane de pervaporation inorganique, et plus préférablement une membrane de zéolithe NaA. Dans cette quatrième étape, le filtrat entre dans la membrane de pervaporation à l'état de phase liquide, et le procédé de pervaporation a une température de fonctionnement de 50 à 100°C, plus préférentiellement de 65 à 95°C, encore plus préférentiellement de 80 à 90°C ; et une membrane de pervaporation. La pression côté perméat est une pression absolue inférieure à 3000 Pa. On connaît aussi le modèle d’utilité CN215587012U proposant un autre système de condensation et de récupération de NMP d’une machine de revêtement cathodique de batterie lithium-ion. Il comprend une unité d'échange de chaleur reliée au sécheur de revêtement d’électrodes et à une unité de récupération de condensation, avec un échange de la chaleur entre l'air d'échappement déchargé du sécheur et la sortie d'air purifié de l'unité de récupération à faible condensation. Il comporte aussi une unité de récupération de condensation et une l'unité de lavage des gaz d'échappement, de sorte que l'air purifié est chauffé à la température spécifiée, puis pénètre à nouveau dans le sécheur de revêtement. Une unité de récupération par condensation refroidit l’air d'échappement prérefroidi par l'unité d'échange de chaleur, de sorte qu'une partie de la N-méthyl pyrrolidone présent dans l'air d'échappement est condensée et séparée sous forme de gouttelettes, et l'air purifié est renvoyé au sécheur de revêtement, alors que le condensat de N-méthylpyrrolidone qui se sépare est récupéré. Une unité de lavage des gaz résiduaires utilise de l’eau ou une solution aqueuse comme liquide absorbant pour laver une partie de l’air d’échappement refroidi par l’unité d’échange de chaleur, de manière à réduire la teneur en N-méthyl pyrrolidone dans l'air d'échappement à une plage spécifiée avant décharge. Inconvénients de l’art antérieur Les solutions de l’art antérieur ne sont pas totalement satisfaisantes car le cycle de récupération de NMP comporte des traitements, notamment de production d’eau glacée et de température élevée pour la production d’air chaud dans la chambre de séchage entrainant une consommation énergétique élevée. L’économie globale de l’installation, prenant en compte le surcoût occasionné de l’emploi de NMP comme solvant, plutôt que de l’eau, et les dépenses énergétiques occasionnés par le retraitement des effluents d’évaporation dans le sécheur, peuvent conduire à écarter cette technologie car le coût de préparation des électrodes n’est plus compétitif. Elles ne garantissent pas non plus l’absence total de rejet de NMP dans l’atmosphère. Solution apportée par l’invention Afin de répondre à ces inconvénients, la présente invention concerne selon son acception la plus générale une installation pour la production d’électrodes pour batteries lithium-ion comportant un poste d’enduction de matières actives sur cathodes dans un solvant constitué de NMP, et un poste d’enduction de matières actives sur anodes dans un solvant aqueux, ladite installation comportant un système de condensation et de récupération de NMP au sécheur de cathodes caractérisé en ce que le flux traité par ledit système de condensation et de récupération de NMP est constitué par une partie comprise entre 15 et 90 % du flux issu dudit sécheur de cathodes. Avantageusement, l’installation comporte un échangeur de chaleur air-eau assurant le réchauffage de l’air injecté dans le conduit amont débouchant dans le sécheur d’anodes. Selon une variante, ledit échangeur de chaleur air-eau est alimenté par un fluide caloporteur provenant d’un échangeur air-eau disposé sur le conduit aval du sécheur de cathodes. Selon une variante, ledit système de condensation de NMP comporte un échangeur air-eau amont et un échangeur air-eau aval, reliés par une circulation d’un fluide caloporteur. Selon une variante, l’installation comporte un récupérateur d’énergie placé sur la boucle d’air du sécheur d’anodes. Avantageusement, ledit récupérateur d’énergie comporte un échangeur de chaleur air-eau disposé sur le conduit aval d’aspiration d’air chaud provenant du sécheur d’anodes, ledit échangeur air-eau (étant relié par un circuit de fluide caloporteur à un second échangeur air-eau disposé sur le conduit amont d’injection d’air chaud dans le sécheur d’anodes. Selon une autre variante le solvant du poste d’enduction d’anodes contient également du NMP, et en ce que ledit sécheur d’anodes génère un second flux traité partiellement ou totalement par ledit système (500) de condensation et de récupération de NMP. Description détaillée d’un exemple non limitatif de réalisation La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, concernant un exemple non limitatif de réalisation illustré par les dessins annexés où : la décrit une vue schématique d’une installation conforme à l’invention la décrit une vue schématique en coupe d’un condenseur exploité dans une installation conforme à l’invention. Présentation de la ligne d’enduction de cathode L’installation décrite à titre d’exemple est illustrée par la représentant le schéma de principe. Elle comprend - une ligne d’enduction de cathodes équipée d’un tunnel de séchage (100) destiné à l’évaporation du solvant utilisé lors de l’étape d’enduction des cathodes, et - une ligne d’enduction d’anodes équipée d’un tunnel de séchage (200) destiné à l’évaporation du solvant utilisé lors de l’étape d’enduction des anodes. L’étape d’enduction des cathodes, en amont de l’invention, consiste à déposer sur des collecteurs de courant, par exemple des feuilles d’aluminium, une encre composite contenant des ions lithium. Les composants sont dissous dans un solvant, la NMP (N-méthyl-2-pyrrolidone) à l’aide d’outils tels que des défloculeuses et autres homogénéisateurs et disperseurs permettant une bonne homogénéité des encres produites. Cette encre est déposée sur les collecteurs de courant à l’aide d’une table à enduction en ajustant la hauteur de la règle à enduction afin d’obtenir le grammage visé (quantité de matériau par unité de surface en mg.cm-2), puis les électrodes enduites sont chauffées pour évaporer le solvant dans un sécheur (100) présentant typiquement une longueur d’environ 50 m, une section de l’ordre de 0,5m et une température de l’ordre de 80°C à 130°C, que l’électrode traverse en une minute environ. Ce tunnel de séchage (100) dégage de l’air chargé de NMP, le but de l’invention étant de purifier cet air pour éviter de rejeter des effluents toxiques et pour récupérer le NMP en vue de le réutiliser pour un nouveau processus de préparation d’une encre d’induction. A cet effet, l’air chargé de NMP est extrait du tunnel de séchage (100) par un conduit aval (110), et l’air recyclé est réinjecté dans le tunnel de séchage (100) par un conduit amont (120). L’air provenant du tunnel de séchage (100) est aspiré dans le conduit aval (110) avec un débit légèrement supérieur au débit de réinjection d’air épuré par le conduit amont (120), par exemple un débit de 80000 m 3 par heure pour l’aspiration dans le conduit aval (110) d’air contenant environ 8240 mg/m 3 de NMP, à une température de l’ordre de 97°C. L’air épuré est réinjecté par le conduit amont (120) avec un début de 78200 m 3 /h, à une température de 70°C et avec un taux de NMP inférieur à 5990 mg/m 3 . Le différentiel de pression garantie une dépression à l’intérieur du sécheur de cathodes (100) évitant les rejets inopportuns d’air vicié dans l’atmosphère de la salle d’enduction. Un conduit aval (110) présente à titre d’exemple une gaine d’aspiration d’une section de 1800 mm assurant le recyclage des vapeurs issues du séchage des cathodes. Une vanne (130) permet de commander le débit d’aspiration. Le conduit aval (120) comporte un conduit d’injection d’air pur chaud d’une section de 1000 mm associés à un ventilateur (125) assurant un débit nominal de 78200 m3 /h avec une dépression de 4000 Pa. Le conduit aval (120) comporte une première vanne (121) pour commander le débit d’introduction d’air frais extérieur, et une deuxième vanne (122) pour commander l’arrivée d’air chaud recyclé, ainsi qu’une troisième vanne (123) pour le rejet d’air vers l’extérieur. Ces vannes servent de sécurité par injection d’air extérieur si la concentration en NMP est trop forte, afin de limiter les risques d’explosion des vapeurs de NMP dans le sécheur Présentation de l’installation de recyclage du NMP L’air chaud chargé de NMP provenant du conduit aval (110) est divisé en deux flux par une dérivation (130) dirigeant un quart environ du flux vers un condenseur (500) et trois quarts du flux directement vers le conduit amont (120). Le condenseur de NMP est de type connu, mais à la différence des solutions de l’art antérieur, il ne traite qu’une partie du flux de sortie du tunnel de séchage (100). A titre d’exemple, le débit traversant le condenseur (500) est d’environ 21450 m 3 /h, et le débit transmis directement vers le conduit amont (120) d’environ 56700 m 3 /h. Le NMP est récupéré dans un réservoir (550) avec un débit d’environ 3kg par minutes, à une température de 3°C. La sortie du condenseur (500) est reliée à une tour de lavage (520) par un circuit piloté comportant une vanne (530). Cette tour de lavage (520) reçoit aussi optionnellement les gaz provenant d’une hotte d’aspiration (150) placée au-dessus de la chambre d’enduction des électrodes. La tour de lavage (520) rejette dans l’atmosphère un air contenant moins de 1 mg/m 3 de NMP. Présentation de l’installation de traitement de l’air du tunnel de séchage des anodes Le traitement de l’air du tunnel de séchage des anodes (200) est plus simple car le solvant utilisé pour l’enduction des anodes est généralement de l’eau. Il comporte donc simplement un conduit d’aspiration aval (210) aspirant l’air humide à une température d’environ 97°C et une teneur en vapeur d’eau de 5,5 kg /mn avec un débit d’environ 81800 m 3 /h et un conduit d’injection d’air amont (220) avec un débit de 80000 m 3 /h et une température d’environ 70°C. Le différentiel de pression garanti une dépression à l’intérieur du sécheur d’anodes (200) évitant les rejets inopportuns d’air vicié dans l’atmosphère des salles d’enduction. Une vanne commande le rejet de l’air vers l’extérieur via un ventilateur (230). L’air frais à une température ambiante comprise entre -10°C et +30°C est aspiré par un ventilateur (243) avec un filtrage par deux filtres (241, 242). L’air est filtré également par un filtre (243) avant injection dans le sécheur via le conduit amont (220). Récupération d’énergie entre le sécheur d’anodes et le sécheur de cathodes L’invention concerne plus particulièrement l’optimisation énergétique de l’installation de traitement des effluents de séchage des cathodes et des anodes. A cet effet, l’installation comporte un échangeur de chaleur air-eau (20) assurant le réchauffage de l’air injecté dans le conduit amont (220) débouchant dans le sécheur d’anodes (200). Cet échangeur de chaleur (20) est alimenté par un fluide caloporteur provenant d’un premier échangeur air-eau (10) disposé sur le conduit aval (110) du sécheur de cathodes (100). Enfin, un récupérateur de chaleur (1) est relié au circuit pour évacuer la chaleur du fluide caloporteur lorsque le sécheur d’anodes (200) n’est pas en fonction. L’échangeur de chaleur air-eau (20) assurant le réchauffage de l’air injecté dans le conduit amont (220) débouchant dans le sécheur d’anodes (200) apporte, dans un exemple particulier de réalisation, un gain énergétique d’environ 343 kW, et l’échangeur air-eau (501) disposé sur ledit système (500) de condensation et de récupération de NMP apporte un gain énergétique d’environ 184 kW. Un deuxième récupérateur d’énergie est placé sur la boucle d’air du sécheur d’anodes. Il comporte un échangeur air-eau (31) disposé sur le conduit aval (210) d’aspiration d’air chaud provenant du sécheur d’anodes (200). Cet échangeur air-eau (31) est relié par un circuit de fluide caloporteur à un second échangeur air-eau (32) disposé sur le conduit amont (220) disposé sur le conduit amont (220) de réinjection d’air chaud provenant du sécheur d’anodes (200). Deux vannes d’isolement (225, 226) permettent d’isoler l’installation de l’extérieur en cas d’arrêt du fonctionnement. Récupération d’énergie dans le condenseur La illustre schématiquement le condenseur destiné à la récupération du NMP. L’air chargé de NMP issu du tunnel de séchage (100) des cathodes pénètre dans l’enceinte du condenseur à une température de 68 à 85°C par une extrémité amont (520) et traverse une série de batteries de condensation (520 à 523) dans lequel circule un fluide caloporteur à basse température provenant d’une source froide (540) à - 5 °C. Typiquement le fluide entre dans la cellule (520 à 523) à une température de - 2 °C et ressort à une température de + 3 °C. L’air chargé de NMP se refroidit au passage de chaque cellule de condensation (520 à 523) et sa température décroit par exemple respectivement à 30°C, 20 °C, 12°C puis 3°C au passage des cellules de condensation (520 à 523) successives. Le NMP condensé est récupéré dans chaque cellule de condensation (520 à 523) et transféré dans un réservoir (550). Un système de récupération thermique est composé d’un échangeur air-eau (502) situé à la sortie du condenseur, traversé par l’air purifié à une température d’environ 3°C et ressortant à une température d’environ 35 °C à 55 °C. Le fluide calorifique refroidi circule dans un circuit de transfert (560) grâce à une pompe (565) pour refroidir un échangeur de chaleur amont (501) placé entre l’alimentation d’air contenu du NMP (520) et la première cellule (520), et assure un refroidissement primaire de l’air pour l’amener à une température d’environ 50 °C. Variante Optionnellement, l’enduction des anodes utilise aussi un solvant contenant du NMP. Dans ce cas, le circuit de recyclage de l’air issu du tunnel de séchage (200) des anodes comprend les mêmes équipements que le circuit de de recyclage de l’air issu du tunnel de séchage (100) des cathodes, et notamment un condenseur (500) avec un circuit de récupération de chaleur comme décrit ci-dessus. – Installation pour la production d’électrodes pour batteries lithium-ion comportant un poste d’enduction de matières actives sur cathodes dans un solvant constitué de NMP, et un poste d’enduction de matières actives sur anodes dans un solvant aqueux, ladite installation comportant un système (500) de condensation et de récupération de NMP au sécheur de cathodes (100) caractérisé en ce que le flux traité par ledit système (500) de condensation et de récupération de NMP est constitué par une partie comprise entre 15 et 90 % du flux issu dudit sécheur de cathodes (100). - Installation pour la production d’électrodes pour batteries lithium-ion selon la revendication 1 caractérisée en ce qu’elle comporte un échangeur de chaleur air-eau (20) assurant le réchauffage de l’air injecté dans le conduit amont (220) débouchant dans le sécheur d’anodes (200). - Installation pour la production d’électrodes pour batteries lithium-ion selon la revendication précédente caractérisée en ce que ledit échangeur de chaleur air-eau (20) est alimenté par un fluide caloporteur provenant d’un échangeur air-eau (10) disposé sur le conduit aval (110) du sécheur de cathodes (100). – Installation pour la production d’électrodes pour batteries lithium-ion selon la revendication 2 ou 3 caractérisée en ce que ledit système (500) de condensation de NMP comporte un échangeur air-eau amont (501) et un échangeur air-eau (502) aval, reliés par une circulation d’un fluide caloporteur. - Installation pour la production d’électrodes pour batteries lithium-ion selon la revendication 1 caractérisée en ce qu’elle comporte un récupérateur d’énergie placé sur la boucle d’air du sécheur d’anodes (200). – Installation pour la production d’électrodes pour batteries lithium-ion selon la revendication précédente caractérisée en ce que ledit récupérateur d’énergie comporte un échangeur de chaleur air-eau (31) disposé sur le conduit aval (210) d’aspiration d’air chaud provenant du sécheur d’anodes (200), ledit échangeur air-eau (31) étant relié par un circuit de fluide caloporteur à un second échangeur air-eau (32) disposé sur le conduit amont (220) d’injection d’air chaud dans le sécheur d’anodes (200). – Installation pour la production d’électrodes pour batteries lithium-ion selon la revendication 1 caractérisée en ce que le solvant du poste d’enduction d’anodes contient également du NMP, et en ce que ledit sécheur d’anodes (200) génère un second flux traité partiellement ou totalement par ledit système (500) de condensation et de récupération de NMP.