Riciclaggio delle batterie al litio

Le batterie al litio contengono elementi preziosi come il cobalto e il nichel che i produttori vogliono riciclare per riutilizzarli, perché così facendo si riducono le esigenze di estrazione e lavorazione, riducendo i costi e le emissioni.

Alcune aziende sono già impegnate nel riciclaggio delle batterie. In genere riducono le batterie usate in una massa nera prima di fonderle o scioglierle per estrarne i metalli.

Frantumazione meccanica

Poiché le batterie al litio sono diventate una presenza sempre più onnipresente nelle tecnologie moderne, è aumentato anche il loro riciclaggio. Questo è particolarmente importante perché i loro componenti sono molto preziosi e limitati. Il riciclaggio delle celle delle batterie al litio aiuta a ridurre gli sprechi e a conservare l'energia che altrimenti verrebbe utilizzata per produrne di nuove; inoltre, il riciclaggio ci permette di riutilizzare materie prime preziose, riducendo la domanda di materie prime fresche.

Un metodo di riciclaggio delle batterie prevede la frantumazione meccanica. Si tratta di un processo simile all'estrazione mineraria, in cui le materie prime vengono frantumate in piccoli pezzi per un'ulteriore lavorazione; questa operazione può essere eseguita manualmente o con macchinari specializzati. Una volta frantumati, i frammenti provenienti dal riciclaggio delle batterie possono essere sottoposti a processi di separazione chimica, meccanica e/o di fusione prima di essere rimessi in servizio.

La frantumazione è una fase integrante del riciclaggio delle batterie agli ioni di litio e può avvenire con metodi di frantumazione a umido o a secco. La frantumazione a umido può rivelarsi più impegnativa, in quanto l'umidità costringe i vari componenti a legarsi più strettamente di quanto desiderato, mentre la frantumazione a secco consente di mettere in evidenza le caratteristiche di frantumazione selettiva delle batterie al litio esauste, liberando i materiali attivi del catodo dai fogli di alluminio del collettore per facilitare i successivi processi di recupero.

La selezione è un altro elemento chiave del riciclaggio delle batterie. La cernita può aiutare a rimuovere alcuni dei componenti di plastica presenti nelle batterie e a isolare i loro componenti metallici; i primi possono essere riutilizzati, mentre i secondi possono essere utilizzati per creare nuove batterie al litio. La cernita viene spesso effettuata utilizzando magneti che aiutano a separare le singole parti delle batterie.

Nella fase finale del riciclaggio delle batterie, si procede alla separazione meccanica. Questa comprende la vagliatura ad aria, la frantumazione e la setacciatura. Questo metodo presenta molti vantaggi, come quello di evitare le alte temperature e di recuperare alcuni dei componenti più costosi, come il nichel e il cobalto.

Trattamento idrometallurgico

Nella maggior parte degli impianti di riciclaggio delle batterie al litio, le celle esauste vengono innanzitutto separate in base alle loro caratteristiche chimiche e fisiche, prima di essere inviate a un impianto di trattamento idrometallurgico per il recupero dei metalli in forma ionica dalle masse nere dei materiali catodici e degli anodi di grafite. I metalli vengono separati con acidi forti o agenti ossidanti in ossidi, solfati o idrossidi che vengono poi rivenduti ai produttori per essere riutilizzati in nuove batterie.

Alcuni riciclatori di batterie utilizzano anche il processo noto come "pirometallurgia". Si tratta di riscaldare le batterie esauste in un forno a 1.500 gradi centigradi per tre o quattro ore per bruciare la maggior parte del materiale a base di carbonio e produrre leghe metalliche miste e scorie composte da rame, nichel, alluminio, manganese e cobalto. Purtroppo, questo metodo richiede un notevole dispendio di energia e consente di recuperare solo una piccola percentuale dei metalli preziosi presenti nelle batterie.

L'idrometallurgia è un nuovo approccio innovativo al riciclaggio delle batterie che utilizza l'acqua invece delle alte temperature per ridurre le dimensioni degli ioni metallici dissolvendoli in acido ed estraendoli poi dalla soluzione. L'idrometallurgia presenta molti vantaggi nell'ambito del riciclaggio delle batterie: un minor consumo di energia rispetto alla pirometallurgia o ai metodi di frantumazione meccanica; inoltre, è adatta a quasi tutti i tipi di celle o di composizione chimica.

Northvolt e Redwood Materials hanno raccolto miliardi da investitori pubblici e privati per costruire grandi impianti di riciclaggio delle batterie in Nevada e in Europa, non solo con l'obiettivo del profitto, ma anche per ridurre al minimo l'impatto ambientale attraverso la riduzione delle emissioni di carbonio e la riduzione dei costi durante i processi di recupero.

La biolisciviazione, che utilizza i risultati metabolici dei microrganismi per dissolvere i materiali di scarto delle batterie, è un altro approccio promettente per ridurre i costi e aumentare i tassi di recupero. I ricercatori dell'Università della California hanno utilizzato i batteri chemolitotrofi Acidithiobacillus ferrooxidans per lisciviare il materiale catodico LiCoO2 esaurito dalle batterie al litio; i loro test hanno dimostrato che producevano acido solforico e ioni di ferro che potevano essere estratti dai materiali di scarto a scopo di recupero.

Reazioni chimiche

Il percolato, il processo attraverso il quale l'acqua piovana filtra attraverso i materiali di scarto e acidifica il suolo, avvelenando la vita delle piante e inquinando le falde acquifere, deve essere prevenuto quando si riciclano le batterie; per farlo con successo, i riciclatori devono assicurarsi che le batterie siano state completamente scaricate prima di entrare nel processo di riciclaggio, altrimenti le sostanze chimiche e i metalli contenuti nelle celle possono fuoriuscire nell'ambiente e minacciare la vita delle piante e le fonti idriche. Per combattere gli effetti del percolato, i riciclatori devono assicurarsi che le batterie siano state completamente scaricate prima di essere riciclate; in caso contrario, le sostanze chimiche e i metalli contenuti nelle celle potrebbero fuoriuscire nell'ambiente e inquinare sia gli ecosistemi che le fonti di acqua sotterranea. Per evitare che si verifichi il fenomeno del percolato, i riciclatori devono assicurarsi che le batterie siano state completamente scaricate prima di entrare nel processo di riciclaggio, in modo da ridurre al minimo l'impatto ambientale negativo e garantire che non si verifichino pericoli ambientali durante il processo di riciclaggio - altrimenti, le sostanze chimiche contenute all'interno delle celle possono disperdersi nell'ambiente attraverso le perdite nei corsi d'acqua, causando gli effetti del percolato che provoca l'avvelenamento della vita vegetale e l'inquinamento delle falde acquifere, attraverso le perdite nelle falde acquifere o filtrando l'acqua piovana, filtrando i materiali di scarto e acidificando il terreno, avvelenando così la vita vegetale e inquinando le falde acquifere, attraverso i materiali di scarto, filtrando l'acqua piovana, filtrando i materiali di scarto e acidificando il terreno, acidificando il processo di acidificazione del terreno per controllare questo problema, scaricandole completamente prima di entrare nel processo di riciclaggio, altrimenti potrebbero fuoriuscire, i metalli velenosi contenuti all'interno possono fuoriuscire nell'ambiente attraverso le celle nell'ambiente attraverso le celle nelle falde acquifere o peggio! Per combattere questo problema, il riciclaggio deve garantire che le batterie si scarichino completamente prima di entrare nel processo di riciclaggio per ridurre al minimo le perdite nelle sorgenti di acque sotterranee, avvelenandole e inquinandole prima di acidificare le sorgenti di acque sotterranee, avvelenando le fonti di approvvigionamento delle acque sotterranee; le batterie riciclate devono quindi acidificare le falde acquifere contaminandole nel corso del trasporto nelle falde acquifere attraverso il processo di degradazione prima di essere acidificate nelle falde acquifere prima di essere riciclate in un altro processo di riciclaggio e quindi danneggiando l'ambiente dall'interno delle celle prima di entrare nel processo di riciclaggio lasciando una qualche forma di fuoriuscita nelle falde acquifere come fuoriuscita attraverso la fuoriuscita nelle falde acquifere prima di entrare nel processo di riciclaggio assicurarsi che le batterie si siano scaricate completamente prima di entrare nei processi di riciclaggio altrimenti si verificherebbero altre perdite perché altrimenti le sostanze chimiche e i metalli si disperdono nell'ambiente a causa delle perdite prima di entrare nel processo di riciclaggio i riciclatori devono assicurarsi che l'ambiente dopo l'ingresso nel processo di riciclaggio non si disperda perché altrimenti le perdite dalle celle potrebbero disperdersi per consentire la dispersione attraverso questa via o altrimenti potrebbero disperdersi verso.

L'idrometallurgia, il metodo principale per il riciclaggio delle batterie, prevede lo smontaggio, la frantumazione e la fusione o dissoluzione dei materiali ad alto calore per produrre una massa nera polverosa composta da metalli catodici (nichel, manganese e cobalto) mescolati con idrossido o carbonato di litio che può essere utilizzata per produrre nuove batterie agli ioni di litio o venduta come materia prima ad altri produttori di batterie.

I riciclatori riconoscono che il riciclaggio delle batterie è costoso e ad alta intensità energetica, quindi per ridurre l'impatto ambientale hanno sviluppato tecniche innovative per rendere il processo più conveniente. Alcuni hanno sviluppato approcci più sofisticati che utilizzano reazioni chimiche anziché alte temperature per recuperare i metalli del catodo; ciò consente ai riciclatori di utilizzare varie chimiche di batterie evitando i costi associati alla fusione o alla dissoluzione dei materiali in liquidi.

Northvolt, un operatore svedese di impianti di riciclaggio di batterie, ha creato con successo un impianto di riciclaggio a Skelleftea e ne aprirà un altro vicino al proprio impianto di produzione in Quebec nel 2024, utilizzando la tecnologia Revolt Ett - che converte i solfati di nichel, manganese e cobalto in idrossidi mediante processi idrometallurgici; questi materiali riciclati possono poi essere utilizzati per produrre le nuove batterie di Northvolt o venduti ad altri produttori di batterie a scopo di riciclaggio.

L'impianto Revolt Ett di Northvolt è in grado di gestire la maggior parte delle chimiche delle batterie, concentrandosi soprattutto su quelle contenenti nichel e cobalto, poiché questi materiali sono più difficili da reperire rispetto agli ioni di litio utilizzati nelle batterie. Northvolt sta lavorando ad altri metodi che le consentiranno di riciclare efficacemente un maggior numero di componenti delle batterie, come gli alloggiamenti in polimeri e gli anodi.

I ricercatori hanno fatto progressi anche nella ristrutturazione dei catodi, il delicato cristallo che fornisce alle batterie la tensione adeguata. Uno studio pubblicato su Joule ha rilevato che le batterie che utilizzano catodi riciclati funzionano altrettanto bene di quelle realizzate con catodi di nuova estrazione.

Riciclaggio diretto

Il riciclaggio diretto è un metodo che recupera, rigenera e riutilizza direttamente i componenti della batteria senza prima smantellarne la struttura chimica. Come approccio emergente per il riciclaggio delle batterie agli ioni di litio (LIB), il riciclaggio diretto può migliorare significativamente l'efficienza del riciclaggio, riducendo al contempo l'impatto economico e ambientale. Il riciclaggio diretto ha dimostrato la sua validità rispetto alla pirometallurgia o all'idrometallurgia se si considerano l'efficacia dei costi, l'efficienza energetica, la sostenibilità e la conservazione della struttura del materiale che accorcia i percorsi complessivi di riciclaggio e migliora la qualità dei materiali rigenerati.

Ma questa strategia si scontra con numerose barriere che ne ostacolano l'attuazione pratica, dai processi di disassemblaggio, selezione e separazione alle limitazioni tecnologiche e alle preoccupazioni della società.

Ricercatori e riciclatori si stanno impegnando a fondo per sviluppare tecniche di riciclaggio diretto migliorate che garantiscano la redditività commerciale, come il processo di Kyburz Switzerland che consiste nel segare le batterie a fine vita con una tecnica innovativa di stripping e poi riformare i loro elettrodi in nuove celle, rendendo questo metodo più efficiente rispetto ai metodi tradizionali di frantumazione e separazione.

Questo processo è stato personalizzato per diverse chimiche di celle LIB, nonché per materiali catodici e anodici. Questa tecnologia dovrebbe aumentare l'efficienza della produzione di batterie, riducendo al contempo le attività di estrazione e lavorazione, solitamente costose, ad alta intensità di risorse e dannose per l'ambiente.

Occorre inoltre considerare come queste tecnologie possano influenzare l'economia circolare. I produttori di batterie devono dare priorità agli sforzi di riciclaggio, promuovere gli sforzi di standardizzazione e implementare protocolli per la condivisione delle informazioni. In questo modo è possibile ridurre gli sprechi e creare una catena di approvvigionamento efficiente che fornisca materie prime fondamentali all'industria globale della produzione di batterie. Le aziende interessate a collaborare con Argonne in queste iniziative possono contattare Jeff Spangenberger, responsabile del gruppo di ricerca per il gruppo Riciclaggio dei materiali e reazioni dell'Argonne National Laboratory. L'Argonne National Laboratory fornisce soluzioni a problemi nazionali urgenti nel campo della scienza e della tecnologia attraverso la ricerca fondamentale e applicata in quasi tutte le discipline scientifiche. Gestito da UChicago Argonne LLC per conto del Department of Energy Office of Science.