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Le batterie agli ioni di litio esauste di cellulari, laptop e un numero crescente di veicoli elettrici si stanno accumulando, ma le opzioni di riciclo sono ancora in gran parte limitate all'incenerimento o alla dissoluzione chimica delle batterie esaurite. I metodi attuali possono creare problemi ambientali e sono difficili da produrre economicamente su scala industriale.
I processi tradizionali riciclano alcuni materiali delle batterie e si basano su alcali caustici, acidi inorganici e sostanze chimiche pericolose che possono introdurre impurità. L'estrazione di metalli critici richiede anche complesse procedure di separazione e precipitazione. Tuttavia, il riciclo di metalli come cobalto e litio può ridurre l'inquinamento, la dipendenza da fonti estere e l'intasamento delle catene di approvvigionamento.
I ricercatori dell'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno perfezionato un metodo per sciogliere le batterie in una soluzione liquida, riducendo così la quantità di sostanze chimiche pericolose utilizzate nel processo. La loro ricerca è stata pubblicata sulla rivista Energy Storage Materials.
La soluzione semplice, efficace ed ecologica sviluppata dai ricercatori dell'ORNL supera i principali ostacoli riscontrati con i metodi precedenti.
Le batterie esauste vengono immerse in una soluzione di acido citrico organico (presente naturalmente negli agrumi) disciolto in glicole etilenico, un antigelo comunemente utilizzato in prodotti di consumo come vernici e cosmetici. L'acido citrico proviene da fonti sostenibili ed è più sicuro da maneggiare rispetto agli acidi inorganici. Questa soluzione ecologica fornisce un processo estremamente efficiente per separare e riciclare i metalli presenti nell'elettrodo a carica positiva della batteria, chiamato catodo.
"Poiché il catodo contiene materiali critici, è la parte più costosa di qualsiasi batteria, rappresentando oltre il 30% del suo costo", ha affermato Yaokai Bai, membro del gruppo di ricerca sulle batterie dell'ORNL. "Il nostro approccio potrebbe ridurre i costi delle batterie nel tempo". Lo studio è stato condotto presso lo stabilimento di produzione di batterie dell'Oak Ridge National Laboratory, il più grande centro di ricerca e sviluppo di batterie all'aperto degli Stati Uniti.
La tecnologia di processo sviluppata consente di lisciviare quasi il 100% di cobalto e litio dal catodo senza introdurre impurità nel sistema. È anche in grado di separare efficacemente le soluzioni metalliche da altri residui. Ancora meglio, la sua funzione secondaria è quella di recuperare oltre il 96% del cobalto in poche ore senza aggiungere ulteriori sostanze chimiche, un processo spesso complesso e manuale per bilanciare i livelli di acidità.
"Questa è la prima volta che un unico sistema di soluzione copre le funzioni di lisciviazione e lavorazione", ha affermato il ricercatore capo Lu Yu. "È stato interessante scoprire che il cobalto precipitava e si depositava senza ulteriori perturbazioni. Non ce lo aspettavamo."
Eliminando la necessità di sostanze chimiche aggiuntive, si riducono i costi ed evita la generazione di sottoprodotti o rifiuti secondari. "Siamo entusiasti che questo processo di riciclo sviluppato dai nostri scienziati possa aprire la strada a un riciclo più ampio dei materiali critici delle batterie", ha affermato Ilyas Belharouaq, ricercatore aziendale e direttore della Divisione Elettrificazione dell'Oak Ridge National Laboratory.
Bai ha affermato che le proprietà di lisciviazione dell'acido citrico e del glicole etilenico erano già state studiate in precedenza, ma questo metodo utilizzava più acido e temperature più basse ed era meno efficace.
"Siamo rimasti sorpresi dalla rapidità con cui è uscito dalla soluzione", ha detto Bai. "Con gli acidi organici di solito ci vogliono dalle 10 alle 12 ore, ma questo ha richiesto solo un'ora". Le soluzioni tradizionali che utilizzano acidi inorganici sono anche più lente perché contengono acqua, il cui punto di ebollizione limita la temperatura di reazione.
Ulteriori informazioni: Lu Yu et al., Separazione efficiente e coprecipitazione per un riciclo catodico semplificato, Energy Storage Materials (2023). DOI: 10.1016/j.ensm.2023.103025
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