Pubblicato originariamente su Idaho National Laboratory
Di Hank Hogan per INL Communications &Outreach
Le batterie agli ioni di litio hanno portato a una rivoluzione nell'elettronica di consumo e industriale che ha aperto la strada a un futuro wireless con minori emissioni di carbonio.
Tuttavia, la fonte di energia leggera e ricaricabile per qualsiasi cosa, dai cellulari ai veicoli elettrici, pone una grande sfida ambientale:come smaltire una batteria una volta che non è più utile?
Il semplice gettarlo in una discarica è pericoloso e dispendioso. Gli incendi possono iniziare quando i bulldozer investono le batterie mentre spostano terra e detriti. Inoltre, le batterie scariche contengono elementi preziosi come cobalto, litio e manganese, a concentrazioni più elevate di quelle che si possono trovare nei minerali commerciali.
Il riciclaggio, quindi, potrebbe essere potenzialmente un grande business, che cresce insieme alla flotta di veicoli elettrici. Gli esperti affermano che entro il 2040 ci saranno 500 milioni di veicoli elettrici per passeggeri su strada in tutto il mondo (quasi un terzo della flotta passeggeri prevista). A quel punto, il valore delle materie prime nelle batterie agli ioni di litio a fine vita sarà cresciuto da circa $ 0,3 miliardi nel 2020 a $ 1,1 miliardi entro il 2025 e quasi $ 24 miliardi entro il 2040.
RICICLARE CON MENO CALORE E PRODOTTI CHIMICI
Alla luce di queste crescenti sfide e opportunità, l'Idaho National Laboratory (INL) mira a rendere il riciclaggio delle batterie agli ioni di litio più semplice, più efficiente e potenzialmente più ecologico. I risultati incoraggianti di questi sforzi sono apparsi di recente sulla rivista Resources, Conservation and Recycling.
Il riciclaggio può rafforzare la catena di approvvigionamento per i produttori di batterie riducendo la necessità di dipendere da fonti potenzialmente inaffidabili per nuovi materiali. Ecco perché la ricerca è stata finanziata dal Critical Materials Institute del Dipartimento dell'Energia. Uno degli obiettivi dell'istituto è quello di diversificare la fornitura di materiali energetici critici, in parte attraverso il riutilizzo e il riciclaggio.
Batteria Nissan Leaf, 2014 per gentile concessione di Nissan
Oggi si stima che solo il 5% circa delle batterie agli ioni di litio venga riciclato. Cioè, in una certa misura, perché il processo è in parte manuale, coinvolge sostanze chimiche caustiche e ad alta temperatura ed è inefficiente, secondo Tedd Lister, uno scienziato dello staff dell'INL e coautore della carta.
Nel loro articolo, i ricercatori hanno riportato la prova di principio per un approccio diverso al riciclaggio delle batterie, che funzioni a temperatura ambiente e riduca significativamente l'uso di sostanze chimiche.
Catena di approvvigionamento del litio:un'analisi dei flussi commerciali di litio dalla miniera alla fabbrica.
Credito per il grafico da Joule 1, 229–243, 11 ottobre 2017.
Il nuovo processo è elettrochimico, ha detto Lister. Quindi, invece del calore, l'energia viene dall'elettricità, che alimenta le reazioni che lisciviano il cobalto, il litio, il manganese e altri materiali dalle batterie. I ricercatori hanno dimostrato l'approccio in una cella che misura pochi centimetri di lato, abbastanza piccola da poter essere raccolta.
Gli scienziati hanno iniziato con batterie agli ioni di litio triturate, con materiale fornito da Retriev Technologies di Lancaster, Ohio. Anche Retriev, società di riciclaggio e gestione delle batterie, ha partecipato alla ricerca, così come Solvay, un'azienda con sede a Bruxelles che ha fornito le sostanze chimiche utilizzate per la separazione dei metalli.
Dopo aver sviluppato il processo elettrochimico, gli scienziati lo hanno testato, scoprendo che potevano raggiungere alti tassi di recupero del riciclaggio. Hanno riportato un'efficienza superiore al 96% in termini di cobalto, litio, manganese e nichel estratti, che escono dal processo in un unico flusso di uscita. Al contrario, il rame, un metallo con un alto valore commerciale, si deposita sul catodo, il che semplifica il processo di separazione a valle, ha affermato Lister.
Un'analisi preliminare dei costi ha indicato una riduzione di circa l'80% dei costi energetici e chimici rispetto alle attuali tecniche di riciclaggio.
I piani futuri includono lo sviluppo di una procedura elettrochimica per separare l'output del processo di lisciviazione in cobalto, litio, manganese e nichel. Il team sta anche esplorando il riutilizzo di un altro materiale critico, la grafite, che è rimasto e può essere potenzialmente riciclato.
Sia il processo di lisciviazione che quello di separazione devono quindi essere portati a una dimensione utile in un ambiente industriale. Parte di questo sforzo includerà l'ottimizzazione dei processi di lisciviazione e separazione modificando i parametri per migliorare le prestazioni e l'efficienza. Oltre al partner del progetto Retriev, gli scienziati dell'INL sono interessati a lavorare con i partner commerciali in questi prossimi passi.
Infine, questo tipo di riciclo delle batterie potrebbe sfruttare l'energia in eccesso talvolta prodotta da impianti elettrici di dimensioni utili.
"State usando l'energia per realizzare un prodotto che sarà poi utilizzato per produrre energia", ha affermato Luis Diaz Aldana, autore principale del documento e ingegnere/scienziato elettrochimico INL.
Pubblicato originariamente su Laboratorio nazionale dell'Idaho
Immagine in primo piano tramite il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.
