L'impact environnemental du lithium

Andy Patrizio | 23 mai 2023

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La batterie lithium-ion a été proposée pour la première fois par des chercheurs universitaires en Angleterre et au Japon dans les années 1980, mais n'est devenue disponible dans le commerce qu'après son introduction par Sony Corporation en 1991. Il y avait eu des tentatives précédentes de batteries rechargeables, mais elles étaient la propriété de chaque inventeur. Le lithium-ion est devenu une conception standard qui offrait une densité d'énergie plus élevée, des cycles de vie plus longs et un poids plus léger par rapport aux technologies de batterie rechargeable précédentes.

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Au cours des 32 années écoulées depuis que Sony a introduit les batteries lithium-ion, une révolution technologique a eu lieu. Les batteries lithium-ion ont tout permis, des téléphones intelligents aux voitures, et la technologie continue de progresser avec une plus grande densité, une recharge plus rapide et une durée de vie plus longue.

Dans l'entreprise, deux domaines majeurs ont bénéficié de la révolution des batteries lithium-ion : les appareils mobiles, tels que les ordinateurs portables, les tablettes et les téléphones intelligents, ont créé la main-d'œuvre mobile moderne qui n'est plus liée à son bureau. L'autre révolution a été dans le centre de données.

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Dans le centre de données, les batteries ont permis la création de l'alimentation sans interruption (UPS) : les systèmes UPS fournissent une alimentation de secours en cas de panne du réseau électrique. Ils ne sont normalement pas destinés à poursuivre les opérations en cas de panne de courant, mais simplement à permettre aux utilisateurs d'économiser du travail et de s'éteindre correctement plutôt que de laisser l'ordinateur s'éteindre simplement.

Cependant, comme toute technologie, il y a un hic. Dans le cas des batteries lithium-ion, il s'agit de l'impact environnemental de l'extraction du lithium et de l'élimination des batteries au lithium mortes. Les batteries au lithium-ion ne peuvent être déchargées et rechargées qu'un certain nombre de fois avant de cesser de conserver une charge pendant un certain temps. À ce stade, ils doivent être remplacés.

L'industrie privée et les entités gouvernementales s'inquiètent de plus en plus de l'impact environnemental de la production de batteries lithium-ion et en particulier de l'exploitation minière, en particulier par les pays riches en gisements de lithium qui sont fortement exploités.

"Produire une seule tonne de carbonate de lithium nécessite l'évaporation de 500 000 gallons de saumure de lithium collectée sous les salines d'Argentine, de Bolivie et du Chili, où une grande partie du lithium est produite", note Irina Tsukerman, analyste géopolitique et présidente. de Scarab Rising, une société d'évaluation des risques.

Elle note également que les batteries elles-mêmes contiennent des métaux tels que le cobalt, le nickel et le manganèse, qui sont toxiques et peuvent contaminer les réserves d'eau et les écosystèmes autour de la mine. De plus, des incendies dans des décharges ou des installations de recyclage de batteries ont été attribués à une élimination inappropriée des batteries lithium-ion.

Les batteries lithium-ion présentent de nombreux avantages, d'où leur popularité. "Leur durée de vie plus longue par rapport aux batteries traditionnelles réduit la fréquence de remplacement, contribuant indirectement à la réduction des déchets. De plus, elles jouent un rôle déterminant dans notre transition vers les énergies renouvelables, car elles stockent l'énergie excédentaire produite par l'énergie éolienne et solaire, assurant un approvisionnement régulier même pendant les périodes de faible production d'énergie », a déclaré Kimberly Kim, géologue, professionnelle de la sécurité certifiée et consultante en environnement.

Les avantages incluent :

Densité d'énergie élevée : Les batteries lithium-ion ont une densité d'énergie plus élevée que les autres technologies de batteries rechargeables. Ceci est particulièrement avantageux dans les petits appareils où la taille et le poids sont un problème. Les batteries lithium-ion sont connues pour être légères.

Durée de vie plus longue : Les batteries lithium-ion ont généralement une durée de vie plus longue que leurs concurrents. Certains ordinateurs portables revendiquent désormais une autonomie de 24 heures.

Faible taux d'autodécharge et recharge plus rapide : Les batteries au lithium-ion ont un taux d'autodécharge plus faible que les autres formes de batteries rechargeables, ce qui signifie qu'elles se déchargent plus lentement que les autres technologies de batterie. Il tient donc la charge plus longtemps. Ils se rechargent également plus rapidement que les autres technologies de batterie.

Pas d'effet mémoire : Certaines batteries souffrent de ce qu'on appelle l'effet mémoire, où le cycle de vie est réduit lorsque la batterie est rechargée à plusieurs reprises avant d'être complètement déchargée. Les batteries lithium-ion ne souffrent pas de cet effet.

Polyvalence de forme : Les batteries lithium-ion peuvent être conçues dans différentes formes et tailles, pas seulement la forme carrée ou rectangulaire des autres batteries. Cela leur permet d'être utilisés dans une large gamme d'appareils.

Impact environnemental réduit : Par rapport à certaines autres technologies de batteries rechargeables, les batteries lithium-ion ont un impact environnemental moindre. Ils ne contiennent pas de métaux lourds toxiques comme le plomb ou le cadmium, bien qu'ils contiennent des produits chimiques toxiques et sont plus faciles à recycler que leurs homologues.

Le lithium est peut-être le troisième élément le plus courant sur terre, après l'hydrogène et l'hélium, mais il n'est pas facile à extraire. C'est un processus désordonné effectué en pompant de l'eau dans les réserves d'une manière similaire à la fracturation utilisée dans le forage pétrolier. Il nécessite une quantité considérable d'eau douce - l'eau salée ne peut pas être utilisée - et de nombreuses mines se trouvent dans des zones souffrant de sécheresse. Il laisse derrière lui un ragoût toxique de déchets qui met des siècles à être nettoyé par la nature.

Le processus d'extraction consiste à pomper de l'eau dans le schiste et à extraire une boue, qui doit être laissée à l'air libre pour s'évaporer. Le processus peut prendre de 10 à 24 mois pour extraire complètement le lithium.

En général, la durée de vie d'une batterie lithium-ion est de 3 à 10 ans selon le nombre de cycles de recharge. On estime qu'entre 200 millions et 500 millions de tonnes de déchets de batteries usagées sont générés chaque année d'ici 2020. Puisqu'ils contiennent des métaux toxiques comme le cobalt, les jeter à la décharge n'est pas une option. De plus, ces batteries contiennent des métaux précieux, il existe donc également une incitation financière à les recycler.

Steven Athwal, directeur général de The Big Phone Store, une marque britannique de remise à neuf de téléphones portables, a déclaré que le véritable problème du recyclage des batteries est de savoir à quel point cela peut être fait à moindre coût. "Actuellement, acheter du lithium recyclé coûte beaucoup plus cher que de l'extraire directement du sol. Cela doit changer", a-t-il déclaré. "En augmentant notre recyclage actuel des batteries, ces coûts diminueront. Nous avons besoin que cela se produise beaucoup plus rapidement qu'il ne l'est actuellement."

"Compte tenu des préoccupations environnementales associées à l'extraction du lithium, au processus de production à forte intensité énergétique et aux défis du recyclage, il est clairement nécessaire d'améliorer les pratiques actuelles et d'innover dans la technologie des batteries pour assurer une véritable durabilité", a déclaré Kim.

Recyclage des batteries : le choix le plus évident et le plus facile. Aucune batterie lithium-ion ne devrait jamais aller dans une décharge. Il devrait être confié à une entreprise de recyclage réputée, qui fait l'objet d'un audit rigoureux en matière de conformité environnementale et qui n'utilise pas le travail des enfants, comme c'est souvent le cas dans certains pays.

Amélioration de l'approvisionnement : La méthode actuelle d'exploitation minière est désuète, dangereuse, polluante et chronophage. Il est temps que l'innovation et l'amélioration aient moins d'impact environnemental lors de l'extraction du lithium du sol.

Conception de batterie améliorée : cela va sans dire, car la R&D sur la durée de vie de la batterie se poursuit depuis son invention. Mais il faut continuer à investir dans la création de batteries avec une durée de vie plus longue, une densité d'énergie plus élevée et des capacités de charge plus rapides.

Substitution matérielle : Alors que les batteries lithium-ion sont la meilleure option pour le moment, des alternatives peuvent toujours arriver sur le marché. Une conception alternative utilise du sodium au lieu du lithium, mais elle n'en est qu'à ses débuts (voir ci-dessous). Des alternatives plus respectueuses de l'environnement doivent être explorées.

Sensibilisation et éducation du public : les entreprises ont tendance à être plus soucieuses de l'environnement que les consommateurs quant au recyclage des batteries lithium-ion mortes et épuisées. Il faut sensibiliser davantage les consommateurs à l'importance de recycler les piles usagées et pas seulement de les jeter à la poubelle.

Il existe un certain nombre de technologies de batterie alternatives disponibles et sur le marché, et certaines ont même des atouts par rapport à la technologie lithium-ion. Mais aucun n'a l'ensemble des fonctionnalités et des atouts pour correspondre au lithium-ion.

Plomb-acide: Les batteries au plomb sont l'une des technologies de batteries rechargeables les plus anciennes et les plus matures, principalement utilisées dans les onduleurs et les systèmes d'alimentation de secours. Ils sont peu coûteux mais ont une densité d'énergie plus faible et une durée de vie plus courte que les batteries lithium-ion.

Nickel-Cadmium (NiCd) : Ceux-ci sont principalement utilisés dans les appareils électroniques portables et les outils électriques. Elles offrent de bonnes performances et ont une durée de vie plus longue que les batteries plomb-acide, mais elles contiennent du cadmium toxique et ont une densité d'énergie inférieure à celle des batteries lithium-ion.

Nickel-Métal Hydrure (NiMH):Populaires dans des applications telles que les appareils photo numériques, les véhicules hybrides et les appareils électroniques portables, les batteries NiMH ont une densité d'énergie inférieure et une durée de vie plus courte que les batteries lithium-ion.

Sodium-Ion : Les batteries sodium-ion sont une alternative aux batteries lithium-ion car le sodium est plus abondant et moins cher que le lithium. Cependant, les batteries sodium-ion sont une technologie émergente encore en développement.

Alors que de nombreux États se fixent l'objectif ambitieux de mettre fin aux véhicules à carburant fossile dans les années à venir, l'alimentation par batterie sera plus importante que jamais. Cela signifie une production considérablement accrue et certaines sources peuvent ne pas être fiables. Le Chili et le Mexique ont tous deux nationalisé leurs vastes gisements de lithium, de sorte que l'approvisionnement pourrait être coupé par caprice politique.

Le plus grand défi sera peut-être de s'attaquer aux conditions dans lesquelles le lithium est extrait. Il y a eu des exposés répétés sur les conditions horribles dans lesquelles les enfants travaillent souvent et cela est accueilli avec indifférence. Le public qui réclame des véhicules électriques devrait également réclamer que leurs batteries soient produites de manière sûre et propre.

Une batterie lithium-ion est composée de : une cathode, qui contient de l'oxyde de lithium cobalt, de l'oxyde de lithium nickel manganèse cobalt ou du phosphate de fer lithium ; une anode en graphite ; électrolytes avec sel de lithium; une membrane séparatrice en polyéthylène ou polypropylène microporeux ; collecteurs de courant en cuivre et feuille d'aluminium; et des liants et additifs à base de fluorure de polyvinylidène.

Le recyclage des batteries est un processus en plusieurs étapes consistant à trier et désassembler, écraser ou déchiqueter la batterie, l'immersion dans une solution liquide pour dissoudre et extraire les matières actives, la récupération et la purification des éléments individuels, l'élimination des impuretés et la remise à neuf.

Hormis les risques miniers déjà évoqués, il existe de nombreux risques, tous liés à la toxicité des produits chimiques utilisés dans la fabrication d'une batterie lithium-ion. Le processus de fabrication implique l'utilisation de plusieurs produits chimiques et matériaux dangereux qui sont à la fois toxiques et inflammables. Les batteries contiennent des électrolytes inflammables et des matériaux hautement réactifs, ce qui les rend susceptibles d'exploser. Ils sont également sujets aux décharges électriques et aux accidents puisqu'ils stockent de l'électricité.

L'empreinte carbone exacte est très difficile à mesurer en raison du fait que la production de batteries lithium-ion implique de nombreuses variables, dont la taille de la batterie n'est pas la moindre. Mais il existe également des problèmes liés aux techniques d'extraction, à la chimie spécifique de la batterie, aux processus de production, aux sources d'énergie utilisées et au cycle de vie de la batterie.

Le simple fait de jeter une vieille batterie et de la laisser aller dans une décharge permet une contamination potentielle, en particulier lorsque la batterie est fissurée ou endommagée par les produits chimiques qui peuvent s'échapper. Les batteries envoyées dans une décharge peuvent contaminer le sol, l'eau et l'air, ce qui présente des risques pour les écosystèmes et peut entrer dans la chaîne alimentaire.

Ils représentent également un risque d'incendie et d'explosion, car les batteries lithium-ion ont été sujettes aux explosions dans le passé. Les batteries endommagées ou en court-circuit peuvent dégager de la chaleur et s'enflammer, provoquant des incendies.

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