Ottimizzazione del ciclo di riciclo delle batterie

La transizione verso le tecnologie verdi e le fonti di energia rinnovabili che sta avvenendo a livello mondiale fa sì che la domanda di batterie cresca rapidamente. Ciò si riscontra in particolare per le batterie agli ioni di litio (Li-ion), che alimentano una vasta gamma di componenti, tra cui smartphone, veicoli elettrici (EV) e sistemi di stoccaggio di energia. Questa crescente dipendenza dalle batterie Li-ion richiede però una catena di fornitura di batterie che sia sostenibile e una strategia per gestire i conseguenti rifiuti da batteria, dato che sempre più batterie raggiungono il termine della vita utile.

Le batterie agli ioni di litio possono essere riciclate mediate tre metodi principali: pirometallurgia, idrometallurgia o riciclo diretto, con la possibilità di combinare parti di questi processi. Nella maggior parte dei casi, per procedere al riciclo di una batteria queste tecniche richiedono fasi di pretrattamento, nello specifico scarica o inattivazione, disassemblaggio e separazione.

Se l'energia residua di una batteria agli ioni di litio può essere stoccata in modo economico, è possibile procedere alla scarica dell'energia elettrica. Altrimenti, per prevenire la combustione è necessaria l'inattivazione per immersione in una soluzione acquosa inerte. Le batterie scaricate o inattivate possono essere disassemblate a mano per preservarne i componenti. Questo processo però richiede molto tempo ed espone i lavoratori a materiali pericolosi. Il metodo di disassemblaggio più semplice consiste nella frammentazione o nello schiacciamento delle batterie per ridurle in piccoli pezzi, operazioni spesso effettuate in atmosfera inerte o a pressione negativa. Così facendo, però, i collettori di corrente e l'alloggiamento della batteria non restano intatti, con un conseguente aumento dei costi di riciclo a valle.

Dopo il pretrattamento, le batterie agli ioni di litio subiscono un ulteriore trattamento per l'estrazione di metalli preziosi quali litio, cobalto, manganese, rame, nichel e ferro.

Nei processi pirometallurgici, i materiali vengono sottoposti a temperature elevate in un ambiente inerte per evitare la combustione. Questo processo è semplice, scalabile ed efficiente per recuperare cobalto, manganese, rame, nichel e ferro. Ma richiede una notevole quantità di energia, quindi per quanto riguarda l'estrazione del litio la sua resa è inferiore rispetto a quella di altre tecniche. La purezza dei metalli recuperati può essere maggiore combinando processi pirometallurgici e idrometallurgici.

L'idrometallurgia sfrutta la dissoluzione in acqua per ionizzare i materiali attivi e conseguentemente rimuovere i metalli per lisciviazione con sostanze acide, alcaline o bioorganiche. Questo metodo assicura un recupero accurato, una maggiore purezza di prodotto e un consumo di energia sensibilmente inferiore rispetto a quello della pirometallurgia. L'uso di sostanze chimiche pericolose presenta però rischi per la sicurezza, sia delle persone sia dell'ambiente. Quindi per mitigare questi rischi occorre gestire attentamente le soluzioni reflue e catturare i gas tossici.

Diversamente dai metodi tradizionali che scompongono il materiale del catodo nei suoi elementi, il riciclo diretto, o "riciclo da catodo a catodo", è incentrato su separazione e rigenerazione del materiale usato. Questo approccio viene utilizzato per ripristinare la capacità delle batterie agli ioni di litio.

Rispetto a pirometallurgia e idrometallurgia, il riciclo diretto richiede un minor numero di fasi di pretrattamento e meno solventi chimici. Questo metodo fornisce prodotti di maggior purezza, riducendo la domanda di materiali minerari e contribuendo a un'economia delle batterie circolare più sostenibile. Un fattore che limita in modo significativo il riciclo diretto è la sua dipendenza da un unico tipo di catodo. Dato che struttura delle batterie e chimica delle celle non sono standardizzate, la separazione meticolosa dei componenti è fondamentale perché l'implementazione del processo abbia esito positivo.

Un nuovo metodo di riciclo è rappresentato dalla biolisciviazione, ma la sua fattibilità su larga scala non è ancora accertata. In questo processo, determinati metalli delle batterie vengono recuperati mediante l'uso di batteri. La biolisciviazione è stata utilizzata con successo nell'industria mineraria e può essere un processo complementare a idrometallurgia e pirometallurgia.

Il disassemblaggio robotizzato di batterie esauste è una tecnologia in rapida evoluzione con un potenziale promettente. Questo metodo automatizza il processo di smantellamento delle batterie per aumentare l'efficienza e ridurre i rischi di esposizione delle persone ai materiali tossici delle batterie. Nonostante significativi progressi, il disassemblaggio robotizzato di batterie esauste deve ancora affrontare le sfide poste dalle diversità costruttive delle batterie e dai componenti non standardizzati, come la posizione del cablaggio flessibile che varia da una batteria all'altra. Logaritmi avanzati in grado di eseguire operazioni intelligenti e adattive sono essenziali per superare queste difficoltà. L'ottimizzazione dell'automazione è necessaria per risolvere questi e altri problemi di disassemblaggio complessi, soprattutto perché le esigenze di riciclo delle batterie continuano ad aumentare.

Tecniche di disassemblaggio più efficienti e la capacità di recuperare componenti interi riducono la necessità di materiali nuovi per costruire nuove batterie. In questo modo diminuisce l'impronta di carbonio della produzione di batterie e al contempo aumenta la capacità complessiva della catena di fornitura di batterie.

A fronte dell'efficacia di questi processi di riciclo delle batterie per il recupero dei materiali delle batterie agli ioni di litio, permangono le preoccupazioni in merito a sicurezza e ambiente. Ad esempio, i processi chimici utilizzati nel riciclo di tipo idrometallurgico comprendono l'uso di acidi, solventi aggressivi, sostanze chimiche tossiche e altre sostanze potenzialmente pericolose. Per prevenire danni alle persone o contaminazioni ambientali è necessaria un'attenta gestione di tali processi. Inoltre, alcuni metodi di riciclo chimici e meccanici richiedono temperature elevate e consumo di energia. Ciò si somma all'impronta di carbonio complessiva del processo di riciclo, sollevando preoccupazioni in merito alla loro sostenibilità netta.

Da considerare anche il fatto che al termine della vita utile la maggior parte delle batterie agli ioni di litio è classificata come rifiuto pericoloso per svariati motivi riguardanti le loro caratteristiche chimiche, il rischio potenziale di incendio e l'impatto ambientale negativo. Durante disassemblaggio e trattamento delle batterie è di fondamentale importanza salvaguardare la sicurezza dei lavoratori. L'esposizione a materiali tossici e il rischio di incendi o esplosioni richiedono l'osservanza di rigorosi protocolli di sicurezza. Per fare in modo che il riciclo delle batterie sia più efficiente, più sicuro, rispettoso dell'ambiente e fattibile dal punto di vista economico nel lungo periodo è essenziale affrontare queste sfide.

La realizzazione di un'economia delle batterie circolare richiede il recupero quasi completo di laminati metallici, materiali plastici e materiali attivi utilizzati per costruire le batterie. Ciò va oltre il riciclo tradizionale, per cui occorre ripensare progettazione, uso e smaltimento delle batterie. La gestione sostenibile delle batterie è fondamentale per stabilire un sistema a ciclo chiuso e massimizzare il loro riciclo o la loro riconversione.

Un approccio è costituito dalle applicazioni "second life", che prevedono la riconversione di batterie esauste per applicazioni meno impegnative, quali sistemi di stoccaggio dell'energia nel caso di energie rinnovabili. Ciò prolunga la vita delle batterie e riduce la necessità di batterie nuove, diminuendo così la domanda di minerali processati.

Anche politiche e regolamenti rivestono un ruolo essenziale per completare il ciclo delle batterie. Governi ed enti normativi devono stabilire standard e incentivi che incoraggino il corretto smaltimento delle batterie, il loro riciclo e l'uso dei materiali riciclati in batterie nuove. Lo sviluppo di statuti ragionevoli richiede la collaborazione fra decisori politici, portatori di interesse delle industrie e utenti finali, per promuovere un ecosistema delle batterie sostenibile.

Le batterie delle auto elettriche, che sono per lo più agli ioni di litio, possono essere riciclate utilizzando i processi descritti. Ma le grandi dimensioni, il peso e la complessità delle batterie dei veicoli elettrici moltiplicano le sfide in termini di recupero dei minerali.

Nonostante le sfide riguardanti la capacità, le batterie dei veicoli elettrici vengono riciclate con sempre maggiore efficacia grazie alle innovazioni menzionate in precedenza. Il riciclo delle batterie su larga scala sta diventando un settore di ricerca di crescente importanza visto il rapido incremento del numero di batterie che dovranno essere riciclate in futuro. Questa cifra è direttamente proporzionale alle immatricolazioni record di veicoli elettrici e alla proliferazione di sistemi di stoccaggio di energia basati su batterie.

Gli impianti di triturazione per il riciclo delle batterie agli ioni di litio recuperano materiali preziosi dalle batterie esauste convertendole in forma polverizzata. Questi stabilimenti si stanno rapidamente affermando ai fini del riuso in batterie nuove. La polvere risultante dalla triturazione delle batterie, nota come “massa nera”, viene separata nelle sue componenti per recuperare una maggiore quantità di minerali. In genere questo risultato si raggiunge con un trattamento termico ad alta intensità, come la fusione o l'arrostimento (pirometallurgia), oppure con la lisciviazione chimica (idrometallurgia). Il trattamento termico è più semplice, ma ha una resa inferiore in termini di purezza rispetto alla lisciviazione. Quindi spesso i due metodi vengono combinati, per sfruttare i vantaggi di entrambi.

Gli impianti di triturazione per il riciclo delle batterie agli ioni di litio dimostrano come le tecnologie di riciclo avanzato abbiano il potenziale per chiudere il ciclo nella catena di fornitura di batterie. Il recupero di materiali altamente puri in forme riutilizzabili contribuisce a ridurre la necessità di materiali minerari, diminuendo l'impatto ambientale della produzione delle batterie.

Il riciclo delle batterie è essenziale per la gestione sostenibile delle risorse in un mondo che dipende sempre più da fonti energetiche non generate da combustibili fossili. Nonostante il rapido progresso del processo e delle tecnologie correlate, le sfide non mancano. Tuttavia, grazie a innovazioni e collaborazioni continue, il settore si sta avvicinando alla realizzazione di sistemi a ciclo chiuso che massimizzano il valore delle batterie esauste. Nel frattempo, questo approccio riduce al minimo l'impatto ambientale della produzione di batterie nuove.