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Difficile d'imaginer notre vie sans batteries, qui servent à stocker l'énergie. Elles sont pratiquement omniprésentes et sont utilisées comme batteries de démarrage, dans les installations industrielles, mais aussi dans des objets quotidiens tels que les jouets, les montres, les radios, les ordinateurs portables, les téléphones mobiles, les lampes de poche, les appareils auditifs, etc. La demande en batteries - dont font également partie les accumulateurs – est énorme. Utilisées de plus en plus dans les accumulateurs, les matières premières se font déjà partiellement rares et leur prix augmente en conséquence. C'est pourquoi des recherches intensives sont menées pour remplacer les matières premières rares ou même très rares par d'autres plus abondantes.
De plus, certaines substances, comme le cadmium ou le plomb, contenues dans certaines batteries sont nocives, voire toxiques. Là aussi, la science cherche des substituts non problématiques. Et il existe effectivement des pistes de recherche prometteuses pour améliorer encore la durabilité des batteries.
Qu'y a-t-il dans une batterie ?
Bien que de nombreux types de piles largement répandus sur le marché - comme les piles Li-ion - ne contiennent pas de métaux lourds, il existe encore d'anciens types de piles contenant des métaux lourds. En Suisse, divers types de batteries sont vendus, principalement par les grands distributeurs. Ils se distinguent notamment par les matériaux utilisés. Beaucoup fonctionnent à base de zinc-manganèse ou de lithium-ion, tous deux sans métaux lourds. En Suisse comme dans l'UE, le commerce et la vente de batteries contenant du mercure (symbole chimique : Hg) ou du cadmium (Cd) sont fortement limités. La valeur limite pour le mercure dans toutes les batteries est de 5 mg/kg et celle pour le cadmium de 20 mg/kg dans les batteries portables. Pour le plomb, une déclaration sur la batterie ou sur l'emballage est obligatoire à partir d'un taux massique de plus de 40 mg/kg.
Mais à quoi servent les prescriptions s'il n'est pas possible de contrôler si elles sont respectées ? En effet, jusqu'à récemment, il n'existait pratiquement aucun moyen de vérifier leur respect en Suisse ; il n'y avait tout simplement pas de méthode fiable et reconnue pour déterminer avec précision la teneur des substances citées plus haut dans les batteries.
Beaucoup appris sur les batteriesUne équipe de la section "Advanced Analytical Technologies" de l'Empa, dirigée par le chimiste Renato Figi, s'est donc attelée, sur mandat de l'OFEV, au développement d'une méthode permettant d'effectuer des analyses des métaux lourds que sont le mercure, le plomb et le cadmium dans divers types de batteries. Une tâche qui ne s'avérait pas si simple. En effet, contrairement à de nombreux objets qui peuvent être simplement broyés pour analyser leurs composants et dont les éléments chimiques peuvent ensuite être analysés en solution par divers spectromètres, les batteries ne peuvent pas être simplement broyées. Le simple fait d'essayer d'ouvrir un accumulateur peut s'avérer dangereux. Il y a régulièrement des accidents au cours desquels des batteries ont explosé suite à de telles manipulations.
Claudia Schreiner ne pouvait pas s'exposer à ce danger dans le laboratoire de l'Empa. Elle s'est donc adressée à un collègue de l'Empa, spécialiste des batteries et de leurs dangers. Marcel Held, de la section "Transport at Nanoscale Interfaces", lui a conseillé de commencer par décharger soigneusement toutes les batteries à examiner. Ce n'est qu'ensuite qu'il est possible de s'aventurer dans la "vie intérieure" des batteries.
Mais toutes les batteries ne se ressemblent pas. Il existe d'innombrables types de construction. Même si de l'extérieur deux batteries peuvent sembler totalement similaires, la structure interne peut être très différente !
Une autre chose est apparue au cours des travaux : Les substances potentiellement dangereuses ne se trouvent pas toujours là où on les attendrait. Elles peuvent aussi se trouver dans l'enveloppe qui pourrait à priori paraitre comme non problématique.
Un long chemin vers une méthode innovante
Mais le travail laborieux en laboratoire a porté ses fruits : grâce à la méthode innovante de l'Empa, les substances contenues dans les batteries courantes peuvent désormais être déterminés de manière fiable et même à l'état de traces. Pour l'analyse, les batteries doivent d'abord être déchargées puis séparées. Les divers composants des différents types de batteries sont triés puis dissous sous pression à l'aide d'un mélange d'acides. Les métaux lourds se retrouvent ainsi en solution et peuvent être déterminés par spectroscopie.
Cette méthode permet désormais de contrôler le respect des réglementations existantes. Elle est utilisée dans le cadre d'une vaste campagne de l'OFEV. Afin que les échantillons des différents types de batteries fournissent une image aussi représentative que possible, environ 80 batteries différentes ont été sélectionnées au cours de l'année et analysées ensuite par l'Empa.
La direction de la campagne est assurée par le laboratoire cantonal de Zurich. Les résultats sont attendus pour 2024.