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Una ricerca rivoluzionaria rende il riciclaggio delle batterie agli ioni di litio più economico

2021-10-22


Il riciclaggio diretto è il metodo meno dispendioso in termini energetici per riciclare una batteria agli ioni di litio. Credito: ReCell Center

 

Come rendiamo conveniente il riciclaggio delle batterie? Gli scienziati del ReCell Center hanno fatto un altro passo verso questo obiettivo.

 

Le batterie agli ioni di litio sono i motori del nostro presente e futuro tecnologico. Alimentano l'elettronica portatile, come smartphone e laptop e veicoli elettrici (EV), che stanno diventando sempre più popolari. Ma il crescente utilizzo delle batterie agli ioni di litio, soprattutto nelle automobili, ha superato la tecnologia per riciclarle. Ora, gli scienziati del ReCell Center, il primo centro di ricerca e sviluppo avanzato sul riciclaggio delle batterie, con sede presso l'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia (DOE), hanno fatto una scoperta fondamentale che rimuove uno dei maggiori ostacoli che si frappongono per rendere economicamente sostenibile il riciclaggio delle batterie agli ioni di litio.

 

I processi di riciclaggio utilizzati oggi consentono il recupero dei metalli in forme di scarso valore per i produttori di batterie. Un enorme problema si profila all'orizzonte: in meno di un decennio, i ricercatori prevedono che due milioni di tonnellate di batterie agli ioni di litio fuori uso dei veicoli elettrici verranno ritirate ogni anno. Il numero di batterie per veicoli elettrici a fine vita è attualmente basso, ma sta per aumentare in modo sostanziale man mano che i vecchi modelli di veicoli raggiungono la fine della loro vita utile e l'attuale infrastruttura di riciclaggio non è pronta per l'afflusso.

 

"Se l'industria delle batterie acquisterà materiale catodico riciclato da riutilizzare in batterie nuove, non sacrificherà la purezza." "Jessica Durham, scienziata dei materiali presso Argonne e coautrice dello studio.

 

I ricercatori della Michigan Technological University (MTU), parte del team ReCell, hanno sviluppato un processo innovativo per separare i materiali preziosi che compongono il catodo, l'elettrodo caricato positivamente di una batteria.

 

Gli scienziati del Materials Engineering Research Facility di Argonne stanno intensificando l'innovativo processo di separazione di MTU, aprendo la strada al riciclaggio su larga scala delle batterie dei veicoli elettrici. Poiché i materiali del catodo delle batterie per veicoli elettrici variano a seconda della casa automobilistica e dell'anno di produzione, un riciclatore deve utilizzare una miscela di ossidi di litio metallico: ossido di cobalto di litio, ossido di cobalto di litio e nichel-manganese, ecc. â e separarli in modo da poterli riutilizzare. Quel compito una volta impossibile sembra improvvisamente fattibile.





 

Il riciclaggio diretto e il riutilizzo dei materiali catodici delle batterie chiude il circuito. Credito: ReCell Center

 

In un nuovo articolo pubblicato sulla rivista scientifica sottoposta a revisione paritaria Energy Technology, i ricercatori MTU e ReCell descrivono in dettaglio la loro scoperta: un metodo per separare i singoli materiali catodici utilizzando una nuova svolta su un vecchio processo chiamato flottazione della schiuma.

 

Utilizzata per molti anni dall'industria mineraria per separare e purificare i minerali, la flottazione con schiuma separa i materiali in un serbatoio di galleggiamento in base al fatto che respingono l'acqua e galleggino, o assorbano acqua e affondino. Generalmente i materiali catodici affondano, il che li rende difficili da separare l'uno dall'altro. Questo è vero per l'ossido di cobalto litio nichel manganese (NMC111) e l'ossido di litio manganese (LMO), due comuni materiali catodici per batterie EV che il team ReCell ha utilizzato nei suoi esperimenti. Quello che i ricercatori hanno scoperto è che la separazione può essere ottenuta facendo galleggiare uno dei materiali catodici, NMC111, attraverso l'introduzione di una sostanza chimica che fa sì che il materiale bersaglio respinga l'acqua.

 

Una volta che i materiali del catodo sono stati separati, i ricercatori hanno determinato attraverso i test che il processo ha avuto un impatto trascurabile sulle prestazioni elettrochimiche dei materiali. Entrambi avevano anche livelli di purezza elevati (95 percento o superiore).

 

"È molto importante", afferma Jessica Durham, scienziata dei materiali presso Argonne e coautrice dello studio, "perché se l'industria delle batterie intende acquistare materiale catodico riciclato da riutilizzare in nuove batterie , non sacrificheranno la purezza.â

 

La ricerca si collega alla missione del ReCell Center di promuovere metodi di lavorazione a minor consumo energetico e acquisire materiali preziosi per il riciclaggio diretto: il recupero, la rigenerazione e il riutilizzo dei componenti della batteria direttamente senza abbattere la struttura chimica. Il centro nasce dalla collaborazione tra Argonne, il National Renewable Energy Laboratory del DOE e l'Oak Ridge National Laboratory, la Michigan Technological University, l'Università della California a San Diego e il Worcester Polytechnic Institute.

 

La scoperta di ReCell promette di avere implicazioni ad ampio raggio, come la riduzione dei costi di riciclaggio delle batterie agli ioni di litio; stimolare la crescita di un mercato di riciclaggio redditizio per le batterie agli ioni di litio a fine vita; ridurre il costo dei veicoli elettrici sia per i produttori che per i consumatori; consentire agli Stati Uniti di competere nel settore globale del riciclaggio delle batterie; rafforzare l'indipendenza energetica degli Stati Uniti aumentando l'uso di fonti nazionali di materiali per batterie riciclati; e ridurre la dipendenza degli Stati Uniti da fonti estere di materiali.

 

Ma per ora, il team di ReCell Center è concentrato sulla creazione, passo dopo passo, di un processo di riciclaggio completo per le batterie agli ioni di litio che sia economicamente sostenibile. Solo allora sarà ampiamente adottato.

 

"Qualunque sia il metodo utilizzato per fare questo riciclaggio, il riciclatore deve essere in grado di trarne profitto", afferma Durham. "Stiamo mettendo insieme i passaggi sapendo che, alla fine, l'intero processo dovrà essere redditizio."

 

Riferimento: "Riciclaggio diretto di materiali catodici miscelati da Froth Flotation" di Tinu-Ololade Folayan, Albert L. Lipson, Jessica L. Durham, Haruka Pinegar, Donghao Liu e Lei Pan, 29 luglio 2021, Energy Technology.


DOI: 10.1002/ente.202100468

Altri coautori dello studio ad Argonne includono Albert Lipson, principale scienziato dei materiali e Haruka Pinegar, ricercatrice post-dottorato.

 

Questa ricerca e il ReCell Center sono finanziati dall'Office of Energy Efficiency and Renewable Energy del DOE, Vehicle Technologies Office.

 

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