Le sfide del riciclaggio delle batterie al litio

Le batterie al litio non riciclate correttamente possono rilasciare nell'ambiente metalli tossici che possono essere inalati nei polmoni e causare problemi di salute come patologie cardiovascolari e polmonari.

La maggior parte delle batterie al litio viene riciclata sminuzzandola in polvere prima di essere fusa (pirometallurgia) o sciolta in acido (idrometallurgia). Entrambi i processi consumano grandi quantità di energia ed emettono gas a effetto serra nell'ambiente.

La polvere di catodo riciclata è più porosa della polvere di catodo prodotta in commercio

I catodi sono il cuore di ogni batteria agli ioni di litio, responsabili della tensione e delle prestazioni. Per produrre catodi di alta qualità, i materiali devono avere un'elevata porosità (area superficiale che consente agli ioni di litio di spostarsi tra l'anodo e il catodo), per cui catodi più porosi significano maggiori capacità di immagazzinamento dell'energia; infatti, uno studio ha rilevato che la polvere di catodo riciclata era più porosa della polvere di catodo prodotta in commercio e quindi permetteva alle batterie assemblate con materiale riciclato di avere prestazioni simili a quelle prodotte con materiali vergini.

La ricerca è stata condotta presso l'Università della California, Irvine, da ricercatori guidati da Nikhil Gupta. Basandosi su un lavoro precedente che aveva dimostrato che l'uso di materiale catodico riciclato poteva aumentare l'efficienza delle batterie e prolungarne i tempi di funzionamento, i ricercatori hanno utilizzato un processo innovativo per produrre polvere catodica più di tre volte più porosa rispetto al metodo tradizionale. La tranciatura, la macinazione, la lisciviazione acida, la selezione in base alle dimensioni delle particelle, la chimica e la lavorazione danno origine a catodi ad alte prestazioni che vengono poi miscelati con elettroliti liquidi e lavorati prima di essere nuovamente miscelati per formare catodi ad alte prestazioni che durano più a lungo rispetto ai metodi di produzione tradizionali utilizzati da fonti riciclate.

Le batterie agli ioni di litio richiedono un elettrolita liquido per condurre gli ioni tra l'anodo e il catodo, noto come elettrolita. Solitamente composto da sali inorganici disciolti in solventi organici non acquosi, come il carbonato di propilene o le miscele di carbonati di etilene con carbonati alifatici come il dimetil, il dietil e il metilcarbonato di etile), questo elemento svolge un ruolo essenziale nelle prestazioni della batteria. Per ottenere prestazioni ottimali della batteria, deve garantire un'interfaccia a bassa resistenza per un funzionamento efficiente della batteria: la scelta dell'elettrolita è di fondamentale importanza per le prestazioni della batteria.

Il riciclaggio delle batterie al litio ha tradizionalmente comportato la frantumazione e la fusione meccanica delle batterie o la loro dissoluzione in acido. Sfortunatamente, questi processi richiedono quantità eccessive di elettricità per funzionare e producono una massa ingombrante di metalli difficile da riciclare. Questa ricerca propone invece il "riciclaggio diretto dei catodi", un'alternativa a risparmio energetico.

Il riciclaggio diretto dei catodi consiste nel disassemblare una batteria nei suoi singoli elementi e selezionarli in base alle loro proprietà fisiche. In primo luogo, viene eseguita una cesoiatura in atmosfera inerte; successivamente, i materiali vengono frantumati e macinati in frazioni fini a scopo di separazione e purificazione. Questo processo rimuove dalla soluzione impurità come alluminio e rame, che potrebbero inibire le prestazioni, e ioni di metalli di transizione come Ni2+ e Co2+, lasciando come prodotti in uscita solo sali di litio e grafite.

È più economico della polvere catodica nuova

Le batterie agli ioni di litio utilizzate nelle auto elettriche e negli smartphone, ma anche nei giocattoli per bambini, nelle sigarette elettroniche e nei computer portatili, possono essere riciclate; tuttavia, il processo può essere spesso macchinoso e costoso, il che ha dissuaso molte aziende dall'avviare un'attività di riciclaggio; tuttavia, i ricercatori stanno lavorando a soluzioni per rendere il riciclaggio più semplice, più economico, più veloce e più ecologico.

Le batterie al litio sono costruite con diversi materiali, tra cui rame e cobalto. Sebbene questi metalli siano essenziali per la produzione delle batterie, la loro estrazione può essere pericolosa a causa della produzione di rifiuti tossici e contribuisce al cambiamento climatico con l'emissione di gas a effetto serra durante i processi di estrazione. Il riciclaggio delle batterie offre una soluzione per contribuire a ridurre la domanda di tali risorse, attenuando al contempo l'impatto ambientale.

Il riciclaggio può contribuire a proteggere le nostre preziose risorse tenendole lontane dalle discariche, dove potrebbero causare danni all'ambiente, e a ridurre l'uso di energia per produrre materie prime che richiedono energia costosa (e che contribuiscono alle emissioni di gas serra) o a evitare lo sfruttamento dei lavoratori del terzo mondo che scavano per ottenere cobalto o altri minerali in condizioni non sicure.

Il metodo tipico di riciclaggio delle batterie agli ioni di litio prevede la frantumazione e la purificazione dei componenti per estrarre il catodo. Purtroppo, questo metodo è costoso e inefficace per ottenere prodotti di qualità. Fortunatamente, i ricercatori stanno sviluppando processi alternativi che conservano i catodi intatti per poterli vendere intatti; questi saranno molto meno costosi e rispettosi dell'ambiente rispetto alle loro controparti tradizionali.

Anche se le batterie agli ioni di litio possono essere riciclate, ogni ciclo può ridurne leggermente la purezza. Per questo motivo, si raccomanda ai consumatori di trovare un punto di raccolta locale per le batterie al litio usate: anche se possono essere abbastanza sicure per lo smaltimento quotidiano nel bidone della spazzatura, le batterie agli ioni di litio contengono sostanze chimiche nocive che potrebbero corrodere gli oggetti vicini se lasciate in giro per troppo tempo. Pertanto, l'utilizzo di un servizio di riciclaggio appropriato o la consultazione delle istruzioni del produttore possono garantire uno smaltimento sicuro.

È più sicuro della polvere catodica nuova

Le batterie al litio sono diventate parte integrante dei veicoli elettrici (EV) e di altri prodotti a energia pulita, ma devono essere riciclate in modo responsabile per evitare il rischio di incendi o la dispersione di sostanze chimiche tossiche nell'ambiente. I centri di riciclaggio delle batterie dovrebbero essere utilizzati invece di gettarle via; i bidoni blu o gialli potrebbero danneggiarle durante la lavorazione e comportare rischi di incendio; al contrario, dovrebbero essere lasciate in uno dei sette centri di riciclaggio di prodotti chimici e batterie per uso domestico.

Questi centri sono specializzati nel riciclaggio di batterie al litio presenti in prodotti come utensili elettrici, fotocamere digitali, giocattoli per bambini, sigarette elettroniche e computer portatili. Inoltre, offrono soluzioni di smaltimento sicure per le batterie più grandi da un wattora utilizzate nelle automobili o nelle case, ma non possono accettare quelle più piccole da un wattora perché troppo pericolose. Se possedete una di queste batterie di grandi dimensioni e volete riciclarla, visitate uno dei sette centri di riciclaggio!

Il riciclaggio di una batteria al litio prevede innanzitutto la sua frantumazione e la separazione dal catodo dei componenti meno costosi, come l'involucro in acciaio della batteria e i circuiti elettronici. Gli scienziati estraggono quindi gli elementi, tra cui la "Black Mass", un estratto composto da nichel, cobalto, alluminio e manganese che contiene metalli rari e costosi; questa polvere può quindi essere ricondizionata e mescolata con elementi freschi per migliorare le prestazioni, risparmiando così metalli rari che altrimenti sarebbero andati sprecati.

Il riciclo delle batterie al litio è un altro ottimo modo per combattere la carenza globale di minerali chiave come il cobalto e il nichel, che periodicamente si riducono a minacciare l'efficienza e la durata dei veicoli elettrici. Il riciclaggio può anche contribuire ad affrontare le carenze globali di minerali come queste, aiutando a soddisfare più direttamente la domanda di approvvigionamento globale.

Questo processo assomiglia alle tecniche pirometallurgiche standard, ma richiede meno energia e produzione di rifiuti rispetto ad altre tecniche di riciclaggio. Come efficace alternativa alla pirometallurgia - che in genere consuma molta energia e produce sottoprodotti tossici - e ai metodi di idrometallurgia (che prevedono il recupero dei metalli per via chimica), questo metodo ha tassi di recupero dei metalli superiori a quelli di queste sole tecniche.

È più rispettoso dell'ambiente

Il riciclaggio delle batterie può contribuire a ridurre l'impatto ambientale associato ai veicoli elettrici (EV) e ai dispositivi che utilizzano batterie al litio, come i computer portatili. Il riciclaggio può conservare materiali preziosi, fornire fonti di energia rinnovabile e diminuire il fabbisogno minerario, riducendo al contempo il volume dei rifiuti in discarica. Purtroppo, però, il riciclaggio delle batterie non è privo di difficoltà.

In primo luogo, per poter essere riciclate, le batterie devono essere completamente scariche, poiché le batterie al litio sono pericolose se lasciate in sospensione. Una volta pronte per il riciclaggio, devono essere scomposte e sminuzzate in piccoli pezzi prima di essere fuse o dissolte per recuperare i loro metalli - questo processo può produrre polvere nell'aria che contamina l'ambiente circostante e può provocare malattie respiratorie; il litio è considerato un metallo pericoloso, quindi è fondamentale maneggiarlo con cura.

I ricercatori del Faraday Institution nel Regno Unito stanno ora sperimentando un nuovo metodo di riciclaggio delle batterie al litio, utilizzando una sonda a ultrasuoni "simile a quella che i dentisti usano per la pulizia dei denti", dice Gupta. Concentrando gli ultrasuoni sulle superfici si creano minuscole bolle che implodono e fanno esplodere il rivestimento, consentendo il recupero di catodi e anodi che hanno un valore significativo.

Inoltre, il riciclaggio aiuta l'ambiente riducendo le emissioni di carbonio derivanti dall'estrazione. Secondo le stime del McKinsey Institute, la diffusione del riciclaggio delle batterie potrebbe ridurre le emissioni di carbonio di 25% per chilowattora. Affinché il riciclaggio delle batterie abbia successo, è necessario estrarre i metalli preziosi senza danneggiare il catodo o l'anodo.

Le batterie al litio contengono metalli preziosi come il nichel e il cobalto che vengono utilizzati sia nei veicoli elettrici (EV) che nei dispositivi elettronici, ma è importante ricordare che non devono mai essere messe nei bidoni blu o gialli per il riciclaggio: questi rischi di incendio devono essere gestiti da impianti di riciclaggio specializzati. Se avete bisogno di riciclare le batterie al litio per qualsiasi motivo, è sufficiente avvolgere i loro terminali in un nastro non conduttivo (elettrico, da imballaggio trasparente o da canalina) prima di consegnarle a uno dei sette Centri di riciclaggio e di chimica domestica dell'Autorità o ai rivenditori che le accettano per il riciclaggio.