Grant: Alliance Grants

Li-ion batteries (LIB), used widely in electronic devices, are vital for electric vehicles. With the growth of EVs, demand for LIB will surge in the coming years. LIB cells comprise ca. 31wt% cathode active material and 22wt% anode active material (graphite). Due to their high recycling values, most studies have focused on recovery of the elements Li, Ni, Co, Mn from spent LIB cathodes. Graphite, however, has relatively lower economic value so few studies have been devoted to its recycling and reuse despite its classification as a critical/strategic mineral by US and EU governments. In June 2023, the EU Parliament approved new rules for battery design, production and waste management that extend producer responsibility, requiring due diligence of supply chains to assess social and environmental risks, with a focus on sourcing Co, Li, Ni and natural graphite (which is mined, unlike synthetic graphite produced from fossil fuels heated at 3000 °C). The recycling, recovery and reuse of graphite can therefore offer a number of economic, environmental and health benefits if carried out sustainably. Recycling graphite presents a number of challenges. LIB recycling is based mainly on pyrometallurgical and hydrometallurgical processes. The former uses graphite as a reductive agent to recover cathode metals, resulting in graphite being destroyed. In the latter, graphite is obtained as a by-product and is not adequately recycled, so does not meet battery industry standards due to residual metallic impurities and structural defects. Leaching can remove most of the remaining impurities but must be carried out in a sustainable manner (i.e., not generate harmful waste) without introducing structural defects that require costly, high-temperature treatment. The team of Université de Montréal and Nouveau Monde Graphite, which recently started collaborating on this challenge, aims to develop an environmentally friendly hydrometallurgical process, combined with low-temperature treatment post leaching, to regenerate graphite for reuse in new LIBs. This approach opens the door to integrating a circular economy for graphite, making it possible to meet the new regulations on production and waste management of all types of LIB. Les batteries Li-ion (LIB), largement utilisées dans les appareils électroniques, sont essentielles pour les véhicules électriques. Avec l'essor des VE, la demande de batteries LIB va s'accroitre dans les années à venir. Les cellules LIB sont composées d'environ 31%m de cathode et de 22%m d'anode (graphite). En raison de leurs valeurs de recyclage élevées, la plupart des études se sont concentrées sur la récupération des éléments Li, Ni, Co, Mn des cathodes LIB usagées. Le graphite, en revanche, a une valeur économique relativement faible et peu d'études ont été consacrées à son recyclage et à sa réutilisation, malgré sa classification comme minéral critique/stratégique par les gouvernements des États-Unis et de l'Union européenne. Le recyclage et la réutilisation du graphite peuvent donc offrir un certain nombre d'avantages économiques, environnementaux et sanitaires s'ils sont effectués de manière durable. Le recyclage du graphite présente un certain nombre de défis. Le recyclage des LIB repose principalement sur des procédés pyro- et hydro-métallurgiques. Le premier endommage le graphite qui sert d'agent réducteur pour récupérer les métaux de la cathode. Dans le second, le graphite est obtenu comme sous-produit et n'est pas recyclé de manière appropriée. Il ne répond donc pas aux normes de l'industrie des piles en raison des impuretés métalliques résiduelles et des défauts structuraux. La lixiviation peut éliminer la plupart des impuretés restantes, mais elle doit être effectuée de manière durable (c.-à-d. sans générer de déchets nocifs) et sans introduire de défauts structuraux nécessitant un traitement coûteux à haute température. L'équipe de l'UdeM et de NMG, qui a récemment commencé à collaborer sur ce défi, vise à développer un procédé hydro-métallurgique respectueux de l'environnement, combiné à un traitement à basse température après lixiviation, pour régénérer le graphite en vue de sa réutilisation dans de nouvelles LIB. Cette approche ouvre la voie à l'intégration d'une économie circulaire pour le graphite.