Genbrugte litiumbatterier kan fungere bedre end nye

Un nuovo metodo di riciclaggio delle batterie al litio aiuterebbe a soddisfare la domanda in costante aumento.

Le batterie agli ioni di litio sono alla base di quasi tutti i veicoli elettrici, i computer portatili e gli smartphone, e sono essenziali per immagazzinare energia rinnovabile di fronte all’emergenza climatica. Ma tutte le attuali attività minerarie del mondo non sono in grado di estrarre una quantità sufficiente di litio e di altri minerali chiave per soddisfare l’impennata della domanda di queste batterie. La creazione di nuove miniere è uno sforzo costoso e lungo anni. Inoltre, l’estrazione crea una serie di problemi ambientali – come l’esaurimento delle risorse idriche locali e l’inquinamento della regione circostante con i detriti di dilavamento – che hanno portato a proteste contro le nuove miniere.

Tutto ciò significa che la capacità di riciclare le batterie esistenti è fondamentale per modificare in modo sostenibile il sistema energetico globale. Ma il riciclaggio delle batterie agli ioni di litio è entrato in commercio solo di recente. I produttori di batterie hanno esitato per il timore che i prodotti riciclati potessero essere di qualità inferiore rispetto a quelli costruiti con minerali di nuova estrazione, causando potenzialmente una minore durata della batteria o danni alle sue parti interne. Le conseguenze potrebbero essere gravi, soprattutto in un’applicazione come quella dei veicoli elettrici.

Metodi riciclo del litio dalle batterie esauste

Ma una nuova ricerca pubblicata su Joule ha messo a punto quello che gli esperti descrivono come un metodo di riciclaggio più elegante che rimette a nuovo il catodo, il cristallo accuratamente lavorato che è il componente più costoso della batteria agli ioni di litio e la chiave per fornire la tensione corretta. I ricercatori hanno scoperto che le batterie realizzate con la nuova tecnica di riciclo del catodo funzionano altrettanto bene di quelle con un catodo realizzato ex novo. Infatti, le batterie con il catodo riciclato durano più a lungo e si caricano più velocemente. L’approccio e la dimostrazione di successo del team sono “davvero unici e impressionanti”, afferma Kang Xu, elettrochimico presso l’U.S. Army Research Laboratory, che non ha partecipato allo studio.

Yan Wang, professore di scienze dei materiali al Worcester Polytechnic Institute e co-autore del nuovo studio, ha iniziato a fare ricerche sul riciclaggio delle batterie 11 anni fa. All’epoca, racconta, “alcune persone scherzavano con me: “Non ci sono abbastanza batterie da riciclare””. Quella battuta non sta invecchiando bene. Il Dipartimento dell’Energia stima che il mercato delle batterie possa crescere di 10 volte nel prossimo decennio. Per alleviare le difficoltà di crescita del mercato, “il riciclaggio delle batterie agli ioni di litio, ovvero il reinserimento del materiale nella catena di fornitura, è fondamentale”, afferma Dave Howell, direttore del Vehicle Technologies Office del DOE. Il DOE ha finanziato la nuova ricerca come parte del suo massiccio sforzo per stimolare innovazioni su larga scala nel riciclaggio delle batterie negli Stati Uniti.

Come funziona la batteria al litio

Quando una batteria agli ioni di litio fornisce energia, un gruppo di ioni di litio si sposta da una “gabbia” cristallina (l’anodo) a un’altra (il catodo). I metodi più comuni attualmente utilizzati per riciclare queste batterie prevedono lo smontaggio e la frantumazione dell’intera batteria, per poi fonderla o scioglierla in acido. Il risultato è una massa nera – con una consistenza che può variare dalla polvere alla poltiglia – da cui si possono recuperare elementi chimici o semplici composti. Questi prodotti recuperati possono poi essere sottoposti allo stesso processo di produzione commerciale che si applica agli elementi di nuova estrazione per ottenere i catodi.

Wang e i suoi colleghi utilizzano un processo molto simile, ma invece di scomporre completamente la batteria nei suoi elementi chimici costitutivi, la loro tecnica mantiene intatta una parte della composizione cruciale del vecchio catodo. Dopo aver fatto a pezzi la batteria, rimuovono fisicamente le parti meno costose (come i circuiti elettronici e l’involucro in acciaio della batteria) e le riciclano separatamente. Ciò che rimane è principalmente il materiale del catodo, che viene sciolto in acido e quindi rimosso dalle impurità. Successivamente, aggiungono con cura solo un pizzico di elementi freschi che compongono il catodo, come il nichel e il cobalto, per garantire che il rapporto tra gli ingredienti sia giusto – un’altra distinzione rispetto ai comuni metodi di riciclaggio. Dopo qualche altro passaggio, il risultato è una polvere di catodo effettivamente rinfrescata, composta da minuscole particelle cristalline che possono essere incollate su una striscia di metallo e inserite in una “nuova” batteria.

Poiché il catodo è realizzato con una precisa miscela di minerali preziosi per ottenere il voltaggio specifico della batteria, lievi modifiche alla sua struttura o composizione possono comprometterne le prestazioni. Pertanto, gran parte del valore della polvere catodica sta “nel modo in cui sono state progettate le particelle [di polvere] in primo luogo”, afferma Emma Kendrick, professore di materiali energetici presso l’Università inglese di Birmingham, che non ha partecipato al nuovo studio. Questo valore si perde se l’intera batteria viene semplicemente fusa o dissolta in un colpo solo, come avviene negli attuali metodi di riciclaggio.

La ricerca di Wang per riciclare il litio

Wang e i suoi colleghi hanno confrontato le particelle della loro polvere di catodo riciclata con quelle della polvere di catodo prodotta in commercio (in gran parte ricavata da minerali di nuova estrazione). Hanno scoperto che le particelle della polvere riciclata erano più porose, con vuoti particolarmente grandi al centro di ciascuna di esse. Queste caratteristiche consentono al cristallo del catodo di gonfiarsi leggermente quando gli ioni di litio vi si infiltrano e questo margine di manovra impedisce al cristallo di rompersi con la stessa facilità dei catodi costruiti da zero. Tali cricche sono una delle cause principali del degrado delle batterie nel tempo.

Più pori significano anche una maggiore superficie esposta, dove possono avvenire le reazioni chimiche necessarie per caricare la batteria – ed è per questo che le batterie riciclate di Wang si caricano più velocemente delle loro controparti prodotte in commercio. Un’ambizione futura potrebbe essere quella di progettare tutti i catodi con questa struttura superiore, anziché solo quelli realizzati con materiale riciclato, dice Wang.

Le ultime scoperte dimostrano che “il catodo che possono produrre è buono come, o addirittura migliore, del materiale commerciale che abbiamo importato”, afferma Linda Gaines, analista dei trasporti presso l’Argonne National Laboratory e scienziato capo del ReCell Center, un’organizzazione che studia e promuove il riciclaggio delle batterie. (Tali importazioni provengono in gran parte dalla Cina, che è leader mondiale nel riciclaggio delle batterie. Ma questa situazione significa che i materiali devono essere spostati da una parte all’altra del mondo per essere riciclati, aumentando l’impronta di carbonio delle batterie riciclate e diminuendo il loro fascino come percorso più sostenibile. L’approccio sviluppato dal team di Wang elimina una parte significativa del commercio internazionale e dei requisiti di trasporto, creando un potenziale percorso per altri Paesi per rafforzare il riciclaggio delle batterie a livello nazionale. Il processo è attualmente in fase di espansione da parte di Ascend Elements, ex Battery Resourcers, un’azienda di riciclaggio di cui Wang è co-fondatore.