Recycling of transition metals from end-of-life Li-ion batteries through CO2 sourced dynamic chemistry

Recyclage des métaux contenus dans les batteries Li-ion en fin de vie par chimie supramoléculaire CO2-sourcée (CO2-Liion) Dans cette thèse, nous avons démontré le potentiel de récupération des métaux des batteries lithium-ion (LIB) en utilisant des systèmes polyamine-CO2. L'étude a été divisée en deux parties principales : le comportement dynamique des systèmes polyamine-CO2 et leur application pour la récupération des métaux à partir de LIB usagées. La première partie de l'étude s'est concentrée sur le comportement dynamique des systèmes polyamine-CO2, en examinant les systèmes EDA-CO2 et DETA-CO2. Deux modèles ont été développés pour étudier ces systèmes. Le premier modèle, basé sur les paires d'ions, décrivait avec précision la spéciation et la thermodynamique de l'EDA et du DETA mais échouait à différentes concentrations. Par conséquent, un deuxième modèle, basé sur les constantes d'hydrolyse, a fourni une description plus précise du système EDA-CO2 mais nécessite encore des développements pour le DETA. De plus, l'amplification des bicarbonates par appariement ionique et complexation des polyammoniums par des macrocycles a été explorée. Des facteurs d'amplification notables ont été observés, en particulier avec les systèmes DETA, mais les explications théoriques restent insaisissables. Le templage de l'ammonium avec Dyn[4]arène a montré une capture améliorée du CO2, particulièrement dans le système DETA-CO2, démontrant le potentiel de la chimie hôte-invité. La deuxième partie de la thèse s'est concentrée sur l'utilisation du système EDA-CO2 pour récupérer les métaux des LIB usagées. Les méthodes hydrométallurgiques traditionnelles pour récupérer des métaux comme le nickel, le manganèse, le cobalt et le cuivre se sont révélées inefficaces sur le plan environnemental, conduisant à l'exploration des systèmes EDA-CO2 pour la précipitation sélective des métaux. Cette approche a permis la séparation de l'aluminium et du manganèse de la solution de lixiviation acide en raison de leur mauvaise coordination dans l'eau et de leurs faibles solubilités en milieu légèrement acide à basique. L'optimisation de la précipitation a confirmé la faisabilité, avec de bons rendements et puretés, bien que des améliorations soient nécessaires. Pour la précipitation du nickel, le processus EM2S développé avec le MIT a été employé, déterminant les conditions optimales pour la précipitation du carbonate de nickel basique (BNC). Les innovations comprenaient la recristallisation induite par le CO2 pour améliorer la pureté et la récupération électrochimique du cuivre pour la récupération du BNC sans ajout de sels. La récupération du cobalt s'est avérée difficile en raison de ses propriétés de complexation et de redox dans les systèmes polyamine-CO2. Le processus EM2S a été adapté pour le cobalt, en se concentrant sur les produits d'oxydation et leur réduction. Alors que la réduction chimique avec l'hydrazine n'a pas permis de précipiter le cobalt, la récupération électrochimique a montré un potentiel avec de bons rendements et puretés. Globalement, l'étude montre que les systèmes polyamine-CO2 peuvent efficacement récupérer les métaux de transition des LIB usagées, bien que des améliorations supplémentaires soient nécessaires pour la mise à l'échelle. Les résultats fournissent une base pour développer des processus plus efficaces sur le plan environnemental utilisant ces systèmes.