Développement d'un protocole expérimental pour l'étude cinétique et thermodynamique de la dissolution des sulfates de fer et de cobalt dans le cadre du recyclage des batteries lithium-ion

La demande en métaux constituant les cathodes des batteries Li-ion augmente à une vitesse drastique. Le recyclage de ces batteries est considéré comme une alternative très importante pour l’approvisionnement en matières premières pour leur synthèse mais aussi pour lutter contre les éventuelles fluctuations des prix ; étant donné que les concentrations des métaux de valeur (Co, Mn, Ni) à l'intérieur des batteries lithium-ion usagées dépassent celles des minerais naturels. Ce travail de recherche vise à combler une lacune existant dans les connaissances actuelles en proposant une méthodologie expérimentale rigoureuse pour l'investigation de la solubilité et des processus de dissolution des sulfates de métaux de transition, spécifiquement le sulfate de fer (FeSO4) et le sulfate de cobalt (CoSO4), dont les métaux les constituant sont des éléments essentiels des batteries lithium-ion (LIBs). La mise au point de cette méthodologie est essentielle pour optimiser les techniques de récupération des métaux dans l'industrie du recyclage des batteries, notamment dans le contexte des procédés de lixiviation. Notre approche expérimentale s'articule autour de l'analyse de la solubilité individuelle de ces sulfates et de la cinétique de leur dissolution dans l’eau, à différentes températures. Les valeurs déterminées pour les limites de solubilité de ces composés sont en adéquation avec celles rapportées dans la littérature existante. Bien que notre objectif initial, qui incluait l'étude de la co-dissolution et de la co-précipitation des sulfates dans différentes concentrations d'acide sulfurique, n'ait pas été totalement atteint en raison de contraintes temporelles, les résultats obtenus représentent une contribution significative à l'avancement de la recherche dans ce domaine. Notre travail établit une base solide pour les futures explorations, offrant des données de référence pour l'étude plus poussée de la dissolution de ces sulfates dans diverses conditions, et pour la compréhension et l'optimisation des processus de précipitation dans le contexte du recyclage des batteries. Par conséquent, cette étude renforce l'importance d'une approche scientifique rigoureuse pour obtenir des résultats précis et reproductibles.

Abstract

There is a drastic increase in demand for the metals that are used in the synthesis of cathodes for Li-ion batteries. The recycling of these batteries is considered a very important and viable approach for supplying the raw materials needed for their synthesis, as well as for mitigating possible price fluctuations, considering that the concentrations of metals (Co, Mn, Ni) in spent lithium-ion batteries exceed those in natural ores. This research project aims to fill an existing gap in current knowledge by proposing a rigorous experimental methodology for investigating the solubility and dissolution processes of transition metal sulfates, specifically iron sulfate (FeSO4) and cobalt sulfate (CoSO4), their constituent metals being essential components of lithium-ion batteries (LIBs). The development of this methodology is essential to optimize metal recovery techniques in the battery recycling industry, particularly in the context of leaching processes. Our experimental approach has focused on analyzing the individual solubility of these sulfates and the kinetics of their dissolution in water, at different temperatures. The values determined for the solubility limits of these compounds are in agreement with those reported in the existing literature. Despite the fact that our initial objective, which included the study of sulfate co-dissolution and co-precipitation in different concentrations of sulfuric acid, was not fully achieved due to time constraints, the results obtained represent a significant contribution to the research progress in this field. Our work will provide a solid basis for future exploration, offering benchmark data for the further study of the dissolution of these sulfates under various conditions, and for the better insight and optimization of precipitation processes in the context of battery recycling. This study, therefore, reinforces the importance of a rigorous scientific approach to obtain accurate and reproducible results.