WO2024012804A1 - Procédé de démantèlement d'une batterie au lithium - Google Patents

Procédé de démantèlement d'une batterie au lithium Download PDF

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lithium battery
dismantling
liquid
battery
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PCT/EP2023/066341
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Farouk Tedjar
Stéphane TOCCHINI
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Tes Sustainable Battery Solutions France
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Tes Sustainable Battery Solutions France
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    • B24C1/04—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods for treating only selected parts of a surface, e.g. for carving stone or glass
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    • B26F—PERFORATING; PUNCHING; CUTTING-OUT; STAMPING-OUT; SEVERING BY MEANS OTHER THAN CUTTING
    • B26F3/00—Severing by means other than cutting; Apparatus therefor
    • B26F3/004—Severing by means other than cutting; Apparatus therefor by means of a fluid jet
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/54—Reclaiming serviceable parts of waste accumulators
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B09B2101/15—Electronic waste
    • B09B2101/16—Batteries
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02W—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
    • Y02W30/00—Technologies for solid waste management
    • Y02W30/50—Reuse, recycling or recovery technologies
    • Y02W30/84—Recycling of batteries or fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a process for dismantling a lithium battery.
  • An object of the invention consists of providing a method for dismantling a lithium battery which is simple to implement and which reduces the risks linked to battery opening operations.
  • a method for dismantling a lithium battery which comprises the following steps: - provide a lithium battery; - cut the lithium battery using a jet of cutting fluid under pressure, the cutting fluid comprising at least one component which is in the liquid state; the cutting fluid being devoid of water; - separate the components of the cut battery and the cutting fluid.
  • the component comprises at least a first component in the liquid state for cutting the lithium battery, the at least one first component being formed by at least one molecule which is in the gaseous state when the at least one molecule is found at a temperature equal to 20°C and at a pressure equal to 1013hPa and in which the process further comprises a transformation of the first component from the liquid state to the gaseous state before separating the constituents of the cut battery and the liquid cutting.
  • the component consists solely of at least one first component.
  • the at least one first component comprises carbon dioxide.
  • the at least one first component comprises mainly carbon dioxide by volume.
  • the separation is carried out dry.
  • the method comprises, after cutting the lithium battery, recovery of at least one first component in the gaseous state and compression of at least one first component to place it in the liquid state for cutting a new lithium battery.
  • the battery is introduced into a chamber filled with a first gas.
  • the first component in the gaseous state is denser than the first gas.
  • the cutting fluid is devoid of liquid nitrogen.
  • the component comprises at least one second component chosen from ethylene glycol, propylene glycol or a mixture of these.
  • the liquid jet is a liquid jet at a pressure of between 200 and 500 MPa.
  • the jet of liquid comprises polyetheramines to neutralize battery acid.
  • the cutting fluid comprises, in addition to the component in the liquid state, abrasive particles chosen from silicon carbide and a copper slag which preferably has a fayalite base.
  • a mass ratio between the component in the liquid state and the abrasive particles is between 2 and 4.
  • the lithium battery is a lithium-ion battery.
  • FIG. 1 there schematically illustrates a cutting chamber equipped with a battery and a cutting fluid injection nozzle.
  • the process of dismantling a lithium battery illustrated in comprises a first step S1 of supplying the lithium battery followed by a step S2 of cutting the lithium battery using a jet of pressurized liquid.
  • the purpose of step S2 of cutting the lithium battery is to open the lithium battery in order to allow access to the internal components of the battery to separate the different components. Access to the battery components makes it possible, for example, to separate lithium from other battery constituents, for example polymer compounds, noble metals, iron or steel assembly parts. This also helps extract solvents from the battery.
  • step S3 which consists of separating the constituents of the cut battery and the cutting liquid.
  • the cutting of the battery 1 is carried out in a cutting chamber 2.
  • a nozzle 3 is supplied by a tank 4 which contains the liquid.
  • High pressure supply means are configured to supply the nozzle 3 with high pressure liquid and provide a jet 5 of high pressure liquid capable of cutting the battery.
  • Battery cutting step S2 uses a high-pressure liquid jet.
  • the liquid has at least one component which is in the liquid state.
  • the liquid may contain abrasive particles or be devoid of abrasive particles.
  • the liquid used for cutting the battery may contain a single component in the liquid state or it may contain a mixture of several components in the liquid state.
  • the liquid is devoid of water.
  • Water is a compound that will react with one or more constituents of the battery. This reaction can be exothermic, which poses a risk of burns or explosion. Water can also degrade one or more battery components. It is therefore particularly advantageous not to use water to cut the battery to avoid damaging the multiple components of the battery. Cutting the battery makes it possible to avoid using a mechanical manual opening. It is also advantageous to provide that the cutting liquid is free of ionic liquid.
  • the liquid used for cutting the battery only contains liquid components which do not react with lithium and even more preferably only liquid components which do not react with the constituents of the battery.
  • the component(s) of the cutting fluid are preferentially inert with lithium and even more preferentially inert with the other constituents of the battery.
  • the component comprises at least a first component in the liquid state for cutting the lithium battery.
  • the at least one first component is formed by at least one molecule which is in the gaseous state when the at least one molecule is at a temperature equal to 20°C and at a pressure equal to 101325Pa.
  • the first component is in the liquid state, but the first component can also be in the gaseous state under temperature and pressure conditions which are not considered harmful to battery constituents.
  • the first component is chosen to appear in the gaseous state under normal conditions of temperature and pressure (0°C, 101325Pa).
  • the component in the liquid phase consists solely of at least one first component.
  • the dismantling process includes a transformation of the first liquid component so that the first liquid component changes to the gaseous state after cutting the lithium battery.
  • first component which can be in the gaseous state under temperature and pressure conditions such that the majority or all of the constituents of the battery are in the liquid state or in the state solid makes it possible to facilitate the dissociation between the liquid component or the majority liquid component of the cutting fluid which has changed phase and the constituents of the battery.
  • the cutting fluid When cutting the battery, the cutting fluid is ejected from the nozzle under temperature and pressure conditions which ensure that the first component is in the liquid state at the outlet of the nozzle and that it reaches the battery at the liquid state.
  • the cutting fluid is ejected from the nozzle at high pressure and possibly at low temperature to ensure that it is maintained in the liquid state. It is advantageous to eject a liquid whose temperature is between -56°C and -80°C at 1013hPa.
  • the cutting of the battery is carried out in a chamber whose temperature and pressure conditions correspond to at least one first component in the gaseous state.
  • the first liquid is ejected from the nozzle in liquid state, it hits the battery in liquid state with enough energy to cut the battery.
  • the heating of the cutting fluid when cutting the battery allows at least part of the first component to pass into the gaseous state.
  • the first component which has passed into the gaseous state during cutting advantageously remains in the gaseous state in the chamber. This configuration makes it possible to limit thermal and mechanical constraints on the cutting chamber.
  • the first component in the liquid state that reaches the walls of the cutting chamber can remain in the liquid state or can change to the gaseous state.
  • the first liquid component transforms at least partially into gas in contact with the battery, which preferably allows the atmosphere of the chamber to be partially or completely filled with a gas. which is inert with respect to the constituents of the battery.
  • a transformation step from the liquid state to the gaseous state of the first component is carried out, for example for the portion which did not heat up enough when cutting the battery.
  • the transformation can be achieved with an increase in temperature and/or a decrease in pressure in the chamber.
  • the pressure in the chamber is reduced in order to balance with the pressure outside the chamber and which is preferably between 90000Pa and 110000Pa, preferably the atmospheric pressure, approximately 101325Pa depending on the altitude and the weather situation. It is also possible to increase the temperature inside the chamber and it is best not to exceed 50°C.
  • the cutting chamber is filled with a first gas, a pure gas or a gas mixture before starting the cutting operation and preferably when introducing the battery into the cutting chamber.
  • a first gas a pure gas or a gas mixture
  • the first component in the gaseous state is denser than the first gas in order to surround the parts of the battery resulting from the cutting.
  • the at least one first component comprises carbon dioxide.
  • Carbon dioxide does not interact with lithium so it will not cause the degradation of carbon, for example the combustion of lithium.
  • the interaction of carbon dioxide with the other constituents of the battery is low or non-existent, which facilitates their recycling.
  • the at least one first component comprises mainly carbon dioxide by volume, or even the at least one first component comprises exclusively carbon dioxide.
  • the first component is chosen from carbon dioxide, argon and helium. Carbon dioxide is preferred because it is cheaper.
  • the first component is free of dinitrogen or any other molecule capable of forming liquid nitrogen under the conditions of application of the liquid jet. It has been observed that nitrogen can form very reactive compounds with lithium particles such as lithium azides (LiN3) and lithium nitrides (Li3N). Lithium azides decompose violently when the liquid phase is heated and can give rise to toxic compounds. The same is true for lithium nitrides.
  • the process for dismantling a lithium battery comprises, after cutting the lithium battery, recovering the at least one first component in the gaseous state and compressing the at least one first component to place it in the liquid state in the tank for a new cutting cycle of a new lithium battery.
  • the material used to cut the battery is passed into the gaseous state in order to be dissociated from the constituents of the battery then is compressed to pass into the liquid state and be reused for a new battery which reduces the consumption of first component.
  • a first component which is denser than air for example carbon dioxide.
  • air we mean a gas mixture that contains at least 75% nitrogen and 20% oxygen.
  • the cutting of the lithium battery is carried out in a chamber, the chamber being devoid of oxygen before initiating the cutting.
  • the cutting of the lithium battery is carried out in a chamber, the chamber being devoid of nitrogen before initiating the cutting.
  • the chamber is mainly filled in volume with the first component in the gaseous state.
  • the process for dismantling a lithium battery includes a step S3 of recovering the battery parts, the battery parts being dry after cutting the battery.
  • the first component having been transformed into the gas state, the constituents of the battery can be used immediately for the next recycling stage.
  • the liquid component only includes the first component, the transformation of the first component from the liquid state to the gaseous state makes it possible to carry out dry sorting of the constituents of the battery.
  • the cutting fluid has abrasive particles, there is dry sorting between the abrasive particles and the constituents of the battery.
  • the component in the liquid state comprises at least a second component which is in the liquid state under normal conditions of temperature and pressure and/or at 20°C and at 101325Pa.
  • the second component has a boiling temperature greater than 120°C, advantageously greater than 150°C. the second component is intended to be mainly or exclusively in the liquid state throughout the cutting stage and until the recovery of the battery constituents.
  • a second component which has a saturated vapor pressure which is low, for example less than 50 Pa at 20°C.
  • the second component has little or no reactivity with the constituents of the battery.
  • the component comprises only the first component, only the second component or a mixture between the first component and the second component. Even more preferably if the battery is cut simultaneously by means of the first component and the second component, the first component is sent by means of a first nozzle and the second component is sent by means of a second nozzle.
  • the second component comprises at least one second component chosen from ethylene glycol, propylene glycol or a mixture of these.
  • alkyl glycol is interesting because it makes it possible to absorb traces of water present in the atmosphere, which reduces the risk of reaction between traces of water and lithium salts, which makes it possible to reduce the risks of formation of hydrofluoric acid.
  • the jet of liquid is preferably a jet of liquid at a pressure of between 200 and 500 MPa. It is also possible to use this pressure range for the second component.
  • the jet of liquid comprises polyetheramines, to neutralize battery acid.
  • a possible polyetheramine for neutralizing an acid is marketed by the company Huntsman International under the name Jeffamine®.
  • the use of a polyetheramine is advantageous in combination with the first and/or the second component.
  • the use of polyetheramines is particularly advantageous when the battery includes a lithium hexafluorophosphate salt. It is particularly advantageous to use a polyetheramine which has a saturated vapor pressure of less than 50Pa at 20°C and a flash point temperature which is greater than the temperature of the second component, preferably greater than 110°C or even greater than 150°C. vs.
  • polyetheramines is particularly advantageous in association with the second component chosen from alkyl glycol because the properties of the polyetheramines do not degrade the performance of the alkyl glycol.
  • the liquid used to form the liquid jet comprises, in addition to the component in the liquid state, abrasive particles.
  • the abrasive particles are made of a material which does not react chemically with lithium and preferably which does not react chemically with the other constituents of the battery.
  • Garnet we mean a silicate group of type A3B2(SiO4)3 in which A is composed of calcium (Ca), Iron (Fe), magnesium (Mg) and Manganese (Mn) and B concerns inclusions based on aluminum (Al) chrome (Cr).
  • A is composed of calcium (Ca), Iron (Fe), magnesium (Mg) and Manganese (Mn) and B concerns inclusions based on aluminum (Al) chrome (Cr).
  • Be beryllium
  • Mo molybdenum
  • Co cobalt
  • Ni nickel
  • Zn cadmium
  • arsenic (As) arsenic
  • the abrasive particles are chosen from silicon carbide and copper slag and preferably based on fayalite.
  • silicon carbide is very stable in the pH range between 1 and 13 while having a high hardness which makes it suitable for cutting the battery without chemically degrading on contact. of the different constituents of the battery.
  • Silicon carbide can be used in the ⁇ form which crystallizes in a hexagonal system or in its ⁇ form which crystallizes in a face-centered cubic system. These two forms are stable in the aforementioned temperature range. It also appears that these two forms are chemically stable in a temperature range from -100°C to +1000°C. Silicon carbide has great qualities for forming abrasive particles in a liquid jet cutting operation.
  • the abrasive particles can also be particles from a copper slag.
  • Copper slag particles come from the smelting of copper ore.
  • the particles have a mass content of iron oxide Fe2O3 greater than 40%, a mass content of silicon oxide SiO2 greater than 30%, a mass content of aluminum oxide Al2O3 less than 10% and a mass content of calcium oxide less than 10%, preferably less than 5%.
  • the abrasive particles prefferably contain copper trapped in the form of a sulphide in an amorphous vitreous matrix. This allows the copper not to leach out in a soluble ionic form.
  • the abrasive particles comprise olivine particles and more preferably fayalite particles, that is to say Fe2SiO4 particles. Even more preferably, the abrasive particles comprise particles of the (Mg, Fe)2SiO4 type.
  • copper slag particles Like silicon carbide particles, copper slag particles have significant chemical stability over a pH range between 2 and 12 as well as good thermal stability between -100°C and +1000°C.
  • a mass ratio between the component and the abrasive particles is between 2 and 4, when the battery is cut by the liquid.
  • the process for dismantling a lithium battery is particularly advantageous when the lithium battery is a lithium-ion battery.
  • the process for dismantling a lithium battery is particularly advantageous when the lithium battery is a battery of an electric vehicle, for example an electric car.

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Abstract

Un procédé de démantèlement d'une batterie au lithium comporte : - fournir (S1) une batterie au lithium; - découper (S2) la batterie au lithium au moyen d'un jet de liquide de coupe sous pression, le liquide de coupe comportant au moins un composant qui se trouve à l'état liquide; le liquide de coupe étant dépourvu d'eau; - séparer (S4) des constituants de la batterie découpée et le liquide de coupe. Le composant comporte un premier composant à l'état liquide pour découper la batterie au lithium, par exemple du dioxyde de carbone. Le composant peut comporter au moins un deuxième composant choisi parmi l'éthylène glycol, le propylène glycol ou un mélange de ces derniers.

Description

PROCÉDÉ DE DÉMANTÈLEMENT D’UNE BATTERIE AU LITHIUM
L’invention est relative à un procédé de démantèlement d’une batterie au lithium.
Le marché de la mobilité électrique est en plein essor ce qui se traduit par une augmentation vertigineuse du nombre de batteries en utilisation. Le nombre de batteries en utilisation va croitre avec l’augmentation importante du parc automobile dans les années à venir. Il apparait que le recyclage des batteries va devenir un enjeu majeur tant d’un point de vue environnemental qu’économique.
Lorsque la batterie présente un état qui est compatible avec une réutilisation, il sera possible de la réintroduire dans un nouveau cycle d’utilisation. En revanche, lorsque la batterie est dans un état qui est incompatible avec sa réutilisation, il sera nécessaire de recycler la batterie, c’est-à-dire de la démonter afin de dissocier les différents constituants de la batterie.
Il est connu de multiples procédés pour recycler des batteries et notamment pour recycler des batteries lithium-ion de faible capacité telles que celles qui sont utilisées pour alimenter un téléphone, un ordinateur portable ou un outillage électroportatif. Parmi les nombreux procédés destinés à recycler des batteries, les documents US7,820,317, EP1733451 illustrent des procédés utilisés de manière industrielle dans le recyclage de batterie.
Plus la charge électrique restant dans la batterie est importante et plus les risques sont grands. Afin de travailler en sécurité, il est important de tester électriquement et individuellement la batterie avant de la recycler. Cependant, lorsque la batterie est défectueuse, il n’est pas toujours facile de réaliser le test électrique. Plus la capacité de la batterie est importante et plus les risques liés au recyclage sont grands car la quantité de charge électrique stockée peut être importante et la quantité de lithium est accrue.
De manière conventionnelle, le recyclage d’une batterie nécessite d’avoir accès au composants internes ce qui implique de démonter la batterie. Les batteries des véhicules automobiles pèsent entre 180 et 400kg et chaque fabricant possède sont propre schéma d’intégration. Certaines batteries sont assemblées par des vis et des écrous, alors que d’autres batteries sont soudées ou collées. A cause de la très grande inhomogénéité dans la conception et la forme des batteries, il est très difficile voire impossible de mettre en place une stratégie automatisée de démontage de ces dernières. Par ailleurs, en cas d’accident, la batterie peut être déformée ce qui la rend indémontable ou difficilement démontable.
Il est alors nécessaire de recourir à un démontage manuel mécanique qui est une opération risquée car la quantité de lithium est très importante avec une charge électrique qui peut être non négligeable. Ce risque est d’autant plus important que lors de l’ouverture de la batterie, il peut y avoir un percement non-intentionnel de la batterie avec émission de solvants et/ou de composés fluorés.
Objet de l'invention
Un objet de l’invention consiste à prévoir un procédé de démantèlement d’une batterie au lithium qui est simple à mettre en œuvre et qui réduits les risques liés aux opérations d’ouverture de la batterie.
Selon un aspect de l’invention, il est proposé un procédé de démantèlement d’une batterie au lithium qui comporte les étapes suivantes :
- fournir une batterie au lithium ;
- découper la batterie au lithium au moyen d’un jet de liquide de coupe sous pression, le liquide de coupe comportant au moins un composant qui se trouve à l’état liquide ; le liquide de coupe étant dépourvu d’eau ;
- séparer des constituants de la batterie découpée et le liquide de coupe.
Avantageusement, le composant comporte au moins un premier composant à l’état liquide pour découper la batterie au lithium, le au moins un premier composant étant formé par au moins une molécule qui est à l’état gazeux lorsque la au moins une molécule se trouve à une température égale à 20°C et à une pression égale à 1013hPa et dans lequel le procédé comporte en outre une transformation du premier composant de l’état liquide à l’état gazeux avant de séparer les constituants de la batterie découpée et le liquide de coupe.
Selon un mode de réalisation préférentiel de l’invention, le composant est uniquement constitué du au moins un premier composant.
Préférentiellement, le au moins un premier composant comporte du dioxyde de carbone.
Dans un mode de réalisation avantageux, le au moins un premier composant comporte majoritairement en volume du dioxyde de carbone.
De manière préférentielle, la séparation est réalisée à sec.
Selon un aspect préférentiel de l’invention, le procédé comporte, après la découpe de la batterie au lithium, une récupération du au moins un premier composant à l’état gazeux et une compression du au moins un premier composant pour le placer à l’état liquide pour le découpage d’une nouvelle batterie au lithium.
De manière avantageuse, la batterie est introduite dans une chambre remplie d’un premier gaz. Le premier composant à l’état gazeux est plus dense que le premier gaz.
Dans une configuration particulière, le liquide de coupe est dépourvu d’azote liquide.
Dans un développement avantageux, le composant comporte au moins un deuxième composant choisi parmi l’éthylène glycol, le propylène glycol ou un mélange de ces derniers.
Préférentiellement, le jet de liquide est un jet de liquide à une pression comprise entre 200 et 500MPa.
Selon un mode de réalisation, le jet de liquide comporte de la polyétheramines pour neutraliser un acide de la batterie.
Dans un développement avantageux, le liquide de coupe comporte, en plus du composant à l’état liquide, des particules abrasives choisies parmi le carbure de silicium et un laitier de cuivre qui possède préférentiellement une base en fayalite.
Préférentiellement, un rapport massique entre le composant à l’état liquide et les particules abrasives (mliquide/mparticules) est compris entre 2 et 4.
Dans un autre développement avantageux, la batterie au lithium est une batterie au lithium-ion.
Description sommaire des dessins
D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation et de mise en œuvre de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels :
 : la illustre schématiquement un synoptique d’un procédé de démantèlement d’une batterie au lithium selon l’invention ;
 : la illustre schématiquement une chambre de découpe munie d’une batterie et d’une buse d’injection de liquide de coupe.
Le procédé de démantèlement d’une batterie au lithium illustré à la comporte une première étape S1 de fourniture de la batterie du lithium suivie par une étape S2 de découpe de la batterie au lithium au moyen d’un jet de liquide sous pression. L’étape S2 de découpe de la batterie au lithium a pour objectif d’ouvrir la batterie au lithium afin d’autoriser l’accès aux composants internes de la batterie pour séparer les différents composants. L’accès aux composants de la batterie permet par exemple de séparer le lithium, des autres constituants de la batterie par exemple des composés polymères, des métaux nobles, des pièces d’assemblages en fer ou en acier. Cela permet également d’extraire des solvants de la batterie.
Suite à la découpe de la batterie, le procédé possède une étape S3 qui consiste à séparer les constituants de la batterie découpée et le liquide de coupe.
Comme illustré à la , la découpe de la batterie 1 est réalisée dans une chambre de découpe 2. Une buse 3 est alimentée par un réservoir 4 qui contient le liquide. Des moyens d’approvisionnement à haute pression sont configurés pour alimenter la buse 3 avec du liquide à haute pression et fournir un jet 5 de liquide à haute pression apte à découper la batterie.
L’étape S2 de découpage de la batterie utilise un jet de liquide à haute pression. Le liquide comporte au moins un composant qui se trouve à l’état liquide. Selon les modes de réalisation, le liquide peut comporter des particules abrasives ou être dépourvu de particules abrasives.
Le liquide utilisé pour la découpe de la batterie peut comporter un seul composant à l’état liquide ou il peut comporter un mélange de plusieurs composants à l’état liquide. Le liquide est dépourvu d’eau. L’eau est un composé qui va réagir avec un ou plusieurs constituants de la batterie. Cette réaction peut être exothermique ce qui entraine des risques de brulures ou d’explosion. L’eau peut également dégrader un ou plusieurs constituants de la batterie. Il est donc particulièrement avantageux de ne pas utiliser d’eau afin de découper la batterie pour éviter de détériorer les multiples constituants de la batterie. Le découpage de la batterie permet de ne pas utiliser une ouverture manuelle mécanique. Il est également avantageux de prévoir que le liquide de coupe soit dépourvu de liquide ionique.
De manière particulièrement avantageuse, le liquide utilisé pour la découpe de la batterie ne comporte que des composants liquides qui ne réagissent pas avec le lithium et de manière encore plus préférentielle que des composants liquides qui ne réagissent pas avec les constituants de la batterie. Le ou les composants du liquide de coupe sont préférentiellement inertes avec le lithium et encore plus inertes préférentiellement avec les autres constituants de la batterie.
Dans un mode de réalisation particulièrement avantageux, le composant comporte au moins un premier composant à l’état liquide pour découper la batterie au lithium. Le au moins un premier composant est formé par au moins une molécule qui est à l’état gazeux lorsque la au moins une molécule se trouve à une température égale à 20°C et à une pression égale à 101325Pa.
En d’autres termes, lors de l’opération de découpe, le premier composant se trouve à l’état liquide, mais le premier composant peut également se trouver à l’état gazeux dans des conditions de température et de pression qui ne sont pas considérées comme préjudiciable aux constituants de la batterie. Par exemple, le premier composant est choisi pour se présenter à l’état gazeux dans les conditions normales de température et de pression (0°C, 101325Pa). Cependant, il est avantageux que le premier composant soit choisi pour se présenter à l’état gazeux à une température égale à 20°C et à une pression égale à 101325Pa ce qui correspond à des conditions de travail non traumatisante pour un opérateur.
L’utilisation d’un composant qui peut se trouver facilement à l’état gazeux permet, après une étape S4 de changement de phase du premier composant depuis la phase liquide jusqu’à la phase solide, de faciliter la récupération d’au moins une partie du liquide de coupe.
Dans un mode de réalisation encore plus avantageux, le composant en phase liquide est uniquement constitué du au moins un premier composant. Ainsi, lorsque l’opérateur intervient dans la chambre qui réalise la découpe de la batterie pour récupérer les constituants après l’opération de découpe, l’opérateur peut récupérer des éléments qui ne sont pas mouillés par le liquide de coupe car ce dernier est intégralement transformé en gaz.
Afin de faciliter la séparation entre le liquide de coupe et la batterie, le procédé de démantèlement comporte une transformation du premier composant liquide pour que le premier composant liquide passe à l’état gazeux après la découpe de la batterie au lithium.
L’utilisation d’un premier composant qui peut se trouver à l’état gazeux dans des conditions de température et de pression telles que la majorité ou l’intégralité des constituants de la batterie se trouve à l’état liquide ou à l’état solide permet de faciliter la dissociation entre le composant liquide ou le composant liquide majoritaire du liquide de coupe qui a changé de phase et les constituants de la batterie.
Lors de la découpe de la batterie, le liquide de coupe est éjecté de la buse dans des conditions de température et de pression qui assurent que le premier composant soit à l’état liquide en sortie de la buse et qu’il atteigne la batterie à l’état liquide. De manière préférentielle, le liquide de coupe est éjecté de la buse à haute pression et éventuellement à basse température pour assurer le maintien à l’état liquide. Il est avantageux d’éjecter un liquide dont la température est comprise entre -56°C et -80°C à 1013hPa.
Dans un mode de réalisation particulier, la découpe de la batterie est réalisée dans une chambre dont les conditions de température et de pression correspondent au au moins un premier composant à l’état gazeux. De cette manière, le premier liquide est éjecté de la buse à l’état liquide, il frappe la batterie à l’état liquide avec suffisamment d’énergie pour découper la batterie. L’échauffement du liquide de coupe lors de la découpe de la batterie permet à au moins une partie du premier composant de passer à l’état gazeux. Le premier composant qui est passé à l’état gazeux lors de la découpe reste avantageusement à l’état gazeux dans la chambre. Cette configuration permet de limiter les contraintes thermiques et mécaniques sur la chambre de découpe. Selon les configurations, le premier composant à l’état liquide qui atteint les murs de la chambre de découpe peut rester à l’état liquide ou peut passer à l’état gazeux.
De cette manière, au fur et à mesure de la découpe de la batterie, le premier composant liquide se transforme au moins partiellement en gaz au contact de la batterie ce qui permet préférentiellement de remplir partiellement ou totalement l’atmosphère de la chambre avec un gaz qui est inerte vis-à-vis des constituants de la batterie.
Une fois la batterie découpée, une étape de transformation depuis l’état liquide jusqu’à l’état gazeux du premier composant est réalisée, par exemple pour la portion qui ne s’est pas réchauffée assez lors de la découpe de la batterie. La transformation peut être obtenue avec une augmentation de la température et/ou une diminution de la pression dans la chambre. De manière préférentielle, la pression dans la chambre est diminuée afin de s’équilibrer avec la pression à l’extérieur de la chambre et qui est préférentiellement comprise entre 90000Pa et 110000Pa, de préférence la pression atmosphérique, environ 101325Pa selon l’altitude et les conditions météorologiques. Il est également possible d’augmenter la température à l’intérieur de la chambre et il est préférable de ne pas dépasser 50°C.
De manière préférentielle, la chambre de découpe est remplie par un premier gaz, un gaz pur ou un mélange gazeux avant de commencer l’opération de coupe et de préférence lors de l’introduction de la batterie dans la chambre de coupe. Il est particulièrement avantageux que le premier composant à l’état gazeux soit plus dense que le premier gaz afin d’entourer les pièces de la batterie issues de la découpe.
De manière préférentielle, le au moins un premier composant comporte du dioxyde de carbone. Le dioxyde de carbone n’interagit pas avec le lithium de sorte qu’il ne va pas entrainer la dégradation du carbone par exemple la combustion du lithium. L’interaction du dioxyde de carbone avec les autres constituants de la batterie est faible ou nulle ce qui facilite le recyclage de ces derniers. Préférentiellement, le au moins un premier composant comporte majoritairement en volume du dioxyde de carbone, voire le au moins un premier composant comporte exclusivement du dioxyde de carbone. Dans un mode de réalisation avantageux, le premier composant est choisi parmi le dioxyde de carbone, l’argon et l’hélium. Le dioxyde de carbone est préféré car il est meilleur marché.
De manière préférentielle, le premier composant est dépourvu de diazote ou de toute autre molécule apte à former de l’azote liquide dans les conditions d’application du jet de liquide. Il a été observé que l’azote peut former avec des particules de lithium des composés très réactifs tels que les azotures de lithium (LiN3) et des nitrures de lithium (Li3N). Les azotures de lithium se décomposent violemment lors du réchauffement de la phases liquide et ils peuvent donner naissance à des composés toxiques. Il en est de même pour les nitrures de lithium.
De manière préférentielle, le procédé de démantèlement d’une batterie au lithium comporte, après la découpe de la batterie au lithium, une récupération du au moins un premier composant à l’état gazeux et une compression du au moins un premier composant pour le placer à l’état liquide dans le réservoir pour un nouveau cycle de découpage d’une nouvelle batterie au lithium. Ainsi, le matériau utilisé pour réaliser la découpe de la batterie est passé à l’état gazeux afin d’être dissocié des constituants de la batterie puis est comprimé pour passer à l’état liquide et être réutilisé pour une nouvelle batterie ce qui diminue la consommation de premier composant.
Il est particulièrement avantageux d’utiliser un premier composant qui est plus dense que l’air, par exemple le dioxyde de carbone. Lors de la transformation de la phase liquide à la phase gazeuse, cela permet de baigner les constituants de la batterie dans une atmosphère qui est moins réactive que l’air vis-à-vis de ces derniers. Le dioxyde de carbone pousse l’oxygène et les autres gaz qui peuvent réagir avec le lithium vers le haut de la chambre ce qui réduit les risques de réaction entre le lithium et les gaz présents dans l’atmosphère de la chambre. Ce mode de réalisation est particulièrement avantageux lorsque l’atmosphère de la chambre n’est pas remplacée avant l’étape de découpe, par exemple lorsque l’atmosphère de la chambre est de l’air au début de l’opération de découpe par un jet de liquide. Par « air », on entend un mélange gazeux qui contient au moins 75% d’azote et 20% d’oxygène.
De manière préférentielle, la découpe de la batterie au lithium est réalisée dans une chambre, la chambre étant dépourvue d’oxygène avant d’initier la découpe. De manière préférentielle, la découpe de la batterie au lithium est réalisée dans une chambre, la chambre étant dépourvue d’azote avant d’initier la découpe.
A la fin de l’étape de découpe par le jet de liquide, la chambre est majoritairement remplie en volume du premier composant à l’état gazeux.
Le procédé de démantèlement d’une batterie au lithium comporte une étape S3 de récupération des pièces de la batterie, les pièces de la batterie étant sèches après la découpe de la batterie. Le premier composant ayant été transformé à l’état de gaz, les constituants de la batterie sont utilisables immédiatement pour la prochaine étape de recyclage. Lorsque le composant liquide ne comporte que le premier composant, la transformation du premier composant de l’état liquide à l’état gazeux permet de réaliser un tri à sec des constituants de la batterie. Lorsque le liquide de coupe possède des particules abrasives, il existe un tri à sec entre les particules abrasives et les constituants de la batterie.
Dans un mode de réalisation avantageux, le composant à l’état liquide comporte au moins un deuxième composant qui est à l’état liquide dans les conditions normales de température et de pression et/ou à 20°C et à 101325Pa. De manière préférentielle, le deuxième composant possède une température d’ébullition supérieure à 120°C, avantageusement supérieure à 150°C. le deuxième composant est destiné à être majoritairement ou exclusivement à l’état liquide durant toute l’étape de découpe et jusqu’à la récupération des constituants de la batterie.
Il est également avantageux de choisir un deuxième composant qui présente une pression de vapeur saturante qui est faible, par exemple inférieure 50 Pa à 20°C. Bien entendu, le deuxième composant possède une réactivité faible voire nulle avec les constituants de la batterie.
Il est également avantageux de choisir un deuxième composant qui présente une température d’auto-inflammation supérieure à 300°C, plus préférentiellement supérieure à 350°C.
Selon les configurations, le composant ne comporte que le premier composant, que le deuxième composant ou un mélange entre le premier composant et le deuxième composant. De manière encore plus préférentiellement si la batterie est découpée simultanément au moyen du premier composant et du deuxième composant, le premier composant est envoyé au moyen d’une première buse et le deuxième composant est envoyé au moyen d’une deuxième buse.
Il est particulièrement avantageux de choisir le deuxième composant parmi les alkyl glycol. Dans un mode de réalisation avantageux, le composant comporte au moins un deuxième composant choisi parmi l’éthylène glycol, le propylène glycol ou un mélange de ces derniers. Ces composants sont particulièrement intéressants car ils ne régissent pas avec le lithium, ni avec la majorité des constituants de la batterie. Il est alors possible de découper la batterie sans craindre une détérioration du lithium. L’utilisation d’alkyl glycol est intéressante car cela permet d’absorber les traces d’eau présentes dans l’atmosphère ce qui réduit les risques de réaction entre les traces d’eau et les sels de lithium, ce qui permet de réduire les risques de formation d’acide fluorhydrique.
De manière avantageuse, pour obtenir une découpe rapide et efficace de la batterie et notamment de son enveloppe externe, il est préférable d’avoir une pression de jet de liquide qui est supérieure à 5Mpa, plus préférentiellement supérieure à 15Mpa, encore plus préférentiellement supérieure à 50Mpa. Lorsque le composant est majoritairement formé par le premier constituant, le jet de liquide est préférentiellement un jet de liquide à une pression comprise entre 200 et 500MPa. Il est également possible d’utiliser cette gamme de pression pour le deuxième composant.
Dans un mode de réalisation privilégié, le jet de liquide comporte de la polyétheramines, pour neutraliser un acide de la batterie. Un polyétheramine possible pour neutraliser un acide est commercialisé par la société Huntsman international sous la dénomination Jeffamine®. L’utilisation d’un polyétheramine est avantageuse en combinaison avec le premier et/ou le deuxième composant. L’utilisation de polyétheramines est particulièrement avantageuse lorsque la batterie comprend un sel de lithium hexafluorophosphate. Il est particulièrement avantageux d’utiliser un polyétheramines qui possède une pression de vapeur saturante inférieure à 50Pa à 20°C et une température de point éclair qui est supérieure à la température du deuxième composant, préférentiellement supérieure à 110°C voire supérieure à 150°C.
L’utilisation de polyétheramines est particulièrement avantageuse en association avec le deuxième composant choisi parmi les alkyl glycol car les propriétés du polyétheramines ne dégradent pas les performances des alkyl glycol.
De manière à accroitre le pouvoir découpant du jet de liquide par rapport aux constituants de la batterie, de préférence par rapport à l’enveloppe externe de la batterie, il est avantageux que le liquide utilisé pour former le jet de liquide comporte, en plus du composant à l’état liquide, des particules abrasives. Avantageusement, les particules abrasives sont réalisées dans un matériau qui ne réagit pas chimiquement avec le lithium et préférentiellement qui ne réagit pas chimiquement avec les autres constituants de la batterie.
Il est particulièrement avantageux que les particules abrasives soient dépourvues d’acier et/ou de Grenat car ces matériaux peuvent réagir avec le lithium. Par Grenat, on entend un groupe de silicate de type A3B2(SiO4)3 dans lequel A est composé de calcium (Ca), Fer (Fe), magnésium (Mg) et Manganèse (Mn) et B concerne des inclusions à base d’aluminium (Al) chrome (Cr). Selon l’origine des gisements des traces de béryllium (Be), molybdène (Mo), cobalt (Co), nickel (Ni), Zn, cadmium (Cd), et arsenic (As) sont détectés.
De manière préférentielle, les particules abrasives sont choisies parmi le carbure de silicium et le laitier de cuivre et préférentiellement à base de fayalite.
Il est particulièrement avantageux d’utiliser du carbure de silicium car le carbure de silicium est très stable dans la gamme de pH comprise entre 1 et 13 tout en présentant une dureté élevée ce qui le rend apte à découper la batterie sans se dégrader chimiquement aux contacts des différents constituants de la batterie. Le carbure de silicium peut être utilisé dans la forme α qui se cristallise dans un système hexagonal ou dans sa forme β qui se cristallise dans un système cubique face centrée. Ces deux formes sont stables dans la gamme de température précitée. Il ressort également que ces deux formes sont chimiquement stables dans une gamme de température allant de -100°C à +1000°C. Le carbure de silicium présente de grandes qualités pour former des particules abrasives dans une opération de découpe par jet de liquide.
Les particules abrasives peuvent être également des particules issues d’un laitier de cuivre. Les particules de laitier de cuivre sont issues de la fusion du minerai de cuivre. Les particules comportent une teneur massique en oxyde de fer Fe2O3 supérieure à 40%, une teneur massique en oxyde de silicium SiO2 supérieure à 30%, une teneur massique en oxyde d’aluminium Al2O3 inférieure à 10% et une teneur massique en oxyde de calcium inférieure à 10%, de préférence inférieure à 5%.
Il est particulièrement avantageux que les particules abrasives comportent du cuivre piégé sous la forme d’un sulfure dans une matrice vitreuse amorphe. Cela permet au cuivre de ne pas se lixivier sous une forme ionique soluble.
De manière avantageuse, les particules abrasives comportent des particules d’olivines et plus préférentiellement des particules de fayalites, c’est-à-dire des particules de Fe2SiO4. Encore plus préférentiellement, les particules abrasives comportent des particules de type (Mg, Fe)2SiO4.
Comme les particules de carbures de silicium, les particules de laitier de cuivre possède une stabilité chimique importante sur une gamme de pH comprise entre 2 et 12 ainsi qu’une bonne stabilité thermique entre -100°C et +1000°C.
Dans un mode de réalisation avantageux, un rapport massique entre le composant et les particules abrasives (mliquide/mparticules) est compris entre 2 et 4, lors de la découpe de la batterie par le liquide.
Le procédé de démantèlement d’une batterie au lithium est particulièrement avantageux lorsque la batterie au lithium est une batterie au lithium-ion.
Le procédé de démantèlement d’une batterie au lithium est particulièrement avantageux lorsque la batterie au lithium est une batterie d’un véhicule électrique, par exemple une voiture électrique.

Claims (15)

  1. Procédé de démantèlement d’une batterie au lithium comportant les étapes suivantes :
    - fournir (S1) une batterie au lithium ;
    - découper (S2) la batterie au lithium au moyen d’un jet de liquide de coupe sous pression, le liquide de coupe comportant au moins un composant qui se trouve à l’état liquide avec au moins un premier composant à l’état liquide ; le liquide de coupe étant dépourvu d’eau ;
    - transformer le premier composant de l’état liquide à l’état gazeux avant de séparer (S4) des constituants de la batterie découpée et le liquide de coupe.
  2. Procédé de démantèlement d’une batterie au lithium selon la revendication 1 dans lequel le au moins un premier composant est formé par au moins une molécule qui est à l’état gazeux lorsque la au moins une molécule se trouve à une température égale à 20°C et à une pression égale à 1013hPa.
  3. Procédé de démantèlement d’une batterie au lithium selon la revendication 2 dans lequel, le composant est uniquement constitué du au moins un premier composant.
  4. Procédé de démantèlement d’une batterie au lithium selon l’une des revendications 2 et 3 dans lequel le au moins un premier composant comporte du dioxyde de carbone.
  5. Procédé de démantèlement d’une batterie au lithium selon la revendication 4 dans lequel le au moins un premier composant comporte majoritairement en volume du dioxyde de carbone.
  6. Procédé de démantèlement d’une batterie au lithium selon l’une des revendications 1 à 5 dans lequel la séparation (S4) est réalisée à sec.
  7. Procédé de démantèlement d’une batterie au lithium selon la revendication 6 comportant, après la découpe de la batterie au lithium, une récupération du au moins un premier composant à l’état gazeux et une compression du au moins un premier composant pour le placer à l’état liquide pour le découpage d’une nouvelle batterie au lithium.
  8. Procédé de démantèlement d’une batterie au lithium selon l’une des revendications 2 à 7 dans lequel la batterie est introduite dans une chambre remplie d’un premier gaz et dans lequel le premier composant à l’état gazeux est plus dense que le premier gaz.
  9. Procédé de démantèlement d’une batterie au lithium selon l’une des revendications 1 à 8 dans lequel le liquide de coupe est dépourvu d’azote liquide.
  10. Procédé de démantèlement d’une batterie au lithium selon l’une des revendications 1 à 9 dans lequel, le composant comporte au moins un deuxième composant choisi parmi l’éthylène glycol, le propylène glycol ou un mélange de ces derniers.
  11. Procédé de démantèlement d’une batterie au lithium selon l’une des revendications 1 à 10 dans lequel le jet de liquide est un jet de liquide à une pression comprise entre 200 et 500MPa.
  12. Procédé de démantèlement d’une batterie au lithium selon l’une des revendications 1 à 11 dans lequel le jet de liquide comporte de la polyétheramines pour neutraliser un acide de la batterie.
  13. Procédé de démantèlement d’une batterie au lithium selon l’une des revendications 1 à 12 dans lequel le liquide de coupe comporte, en plus du composant à l’état liquide, des particules abrasives choisies parmi le carbure de silicium et un laitier de cuivre qui possède préférentiellement une base en fayalite.
  14. Procédé de démantèlement d’une batterie au lithium selon la revendication 13 dans lequel un rapport massique entre le composant à l’état liquide et les particules abrasives (mliquide/mparticules) est compris entre 2 et 4.
  15. Procédé de démantèlement d’une batterie au lithium selon l’une quelconque des revendications 1 à 14 dans lequel la batterie au lithium est une batterie au lithium-ion.
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