Riciclaggio delle batterie: come recuperare più di 95% da una batteria al litio

Il riciclaggio delle batterie agli ioni di litio è essenziale per la sostenibilità: una volta raggiunta la fine della loro vita utile, devono essere smaltite correttamente. In questo senso, ci sono alcuni aspetti tecnici da tenere in considerazione per dare una "seconda vita" a questo tipo di dispositivi di accumulo. Di seguito analizzeremo gli aspetti principali, dalla differenza tra trattamento fisico e chimico alle diverse fasi che solitamente sono coinvolte nel riutilizzo delle batterie.

Processi di riciclaggio per il recupero delle batterie: trattamento fisico e chimico

Il riciclaggio delle batterie al litio prevede vari processi per recuperare i componenti della batteria e ridurre la quantità di rifiuti. Esistono due tipi principali di processi: fisici e chimici.

1. Processi fisici

I processi fisici sono una parte fondamentale del riciclaggio delle batterie al litio, in quanto sono responsabili del pretrattamento dei componenti della batteria prima dell'esecuzione dei processi chimici. Questi processi fisici si basano sull'utilizzo di diverse caratteristiche fisiche dei materiali presenti nella batteria, come la densità, le proprietà magnetiche e la solubilità, per separare i materiali del catodo e dell'anodo da altri componenti come i collettori di corrente e gli elettroliti.

Uno dei processi fisici più comuni è lo smontaggio della batteria, in cui vengono separati i diversi componenti della batteria, come l'involucro, l'elettrolita e i collettori di corrente. Una volta separati, i componenti vengono frantumati e sottoposti a un processo di separazione in cui vengono utilizzate tecniche di flottazione, separazione magnetica e separazione di densità per separare i diversi materiali presenti nella batteria.

Nel processo di separazione, i materiali della batteria vengono suddivisi in diverse frazioni in base alle loro proprietà fisiche. Ad esempio, il materiale dell'involucro può essere separato mediante separazione magnetica, in quanto attratto da un magnete, mentre i materiali più pesanti, come i collettori di corrente, vengono separati in base alla densità.

2. Processi chimici

I processi chimici per il riciclaggio delle batterie al litio si basano sull'estrazione dei componenti attivi della batteria attraverso l'uso di solventi, reagenti e acidi che permettono di separare i diversi metalli presenti nella batteria, come litio, cobalto, nichel, manganese, tra gli altri.

I processi idrometallurgici sono i più utilizzati per il riciclaggio delle batterie al litio grazie alla loro selettività nel recupero dei metalli e alla riduzione delle emissioni di gas tossici rispetto ai processi pirometallurgici. Nell'ambito dei processi idrometallurgici, vengono utilizzate diverse tecniche per il recupero dei materiali delle batterie al litio. Alcune di queste tecniche sono la lisciviazione acida, l'estrazione con solventi, l'elettrofiltrazione e la precipitazione chimica.

I processi pirometallurgici sono una delle forme più comuni di trattamento chimico per il riciclaggio delle batterie al litio. In questo processo, i componenti metallici della batteria vengono recuperati mediante fusione ad alte temperature (in genere tra 800-1300°C), consentendo ai diversi metalli di fondersi e separarsi. I metalli vengono recuperati sotto forma di leghe, come rame, cobalto, nichel e ferro, che possono poi essere raffinate in componenti metallici di elevata purezza.

Questo processo ha il vantaggio di essere relativamente semplice e produttivo per il recupero di materiali metallici, ma non è adatto per il recupero di materiali organici. Inoltre, le scorie risultanti dal processo possono contenere una varietà di componenti, tra cui metalli e altri materiali, che possono rendere difficile il loro corretto smaltimento. 

Fig. A Processi e schemi di riciclo ^[1]

I sette processi di riciclaggio delle batterie al litio

Per riciclare le batterie al litio in modo efficiente ed economico, proponiamo 7 fasi chiave che si adattano alla complessità delle batterie e alle strategie di riciclaggio di ciascun impianto. 

• PreselezioneValutazione delle batterie: in questo processo viene effettuata una valutazione iniziale delle batterie per determinarne le condizioni, le dimensioni e il tipo. Si verifica inoltre la presenza di batterie difettose o danneggiate che non sono adatte al riciclaggio.
• Recupero di energiaLe celle o batterie al litio contengono energia ed è importante estrarre questa energia in modo sicuro prima di trattare la batteria per il riciclaggio. Questo processo rimuove i liquidi e i gas pericolosi che possono essere rilasciati durante la manipolazione della batteria.

• SmontaggioSmantellamento: in questo processo, la batteria viene smontata per separarne i componenti e le parti. La maggior parte delle batterie al litio viene smontata manualmente, ma si stanno sviluppando anche alcuni processi automatizzati.
• DecontaminazioneLe batterie al litio contengono sostanze chimiche pericolose, come acidi e metalli pesanti, che devono essere trattate con cura per evitare che vengano rilasciate nell'ambiente. Questo processo rimuove i materiali contaminanti e decontamina le parti della batteria. Include un trattamento criogenico, intorno ai -200°C, che impedisce le reazioni esotermiche durante le fasi successive del processo di riciclaggio e/o trattamenti termici di pirolisi e calcinazione per rimuovere i componenti organici e infiammabili.
• RilascioUna volta che la batteria è stata smontata e decontaminata, i suoi componenti vengono separati. Questo processo può comportare la frantumazione o la macinazione della batteria in piccoli pezzi per facilitare la separazione.
• SeparazioneSeparazione: in questo processo vengono separati i materiali che compongono la batteria, come cobalto, nichel, litio e ferro. I processi fisici e chimici vengono utilizzati per separare i materiali e purificarli per un ulteriore utilizzo.
• Raffinazione metallurgicaUna volta separati, i materiali vengono raffinati. Questa tecnica può essere termica (processi pirometallurgici), chimica (processi idrometallurgici) o addirittura biologica (processi biometallurgici).

Recupero dei materiali dalla batteria al litio

Confrontando i due processi di riciclaggio delle batterie al litio e considerando la pirometallurgia rispetto all'idrometallurgia, quali vantaggi offre ciascuno di essi?

• I metodi pirometallurgici sono più costosi in termini di energia e materiali, ma producono metalli che possono essere venduti. 
• I metodi idrometallurgici possono produrre materiali di alta qualità da riutilizzare nelle nuove batterie, rendendole potenzialmente più efficienti, ma sono più complessi e richiedono più passaggi e sostanze chimiche.

Tuttavia, i metodi idrometallurgici presentano un vantaggio significativo in termini di recupero dei metalli. Possono recuperare fino a 100% di litio e cobalto, 98% di manganese e 75% di alluminio sotto forma di materiali catodici/anodici pronti per essere utilizzati in nuove batterie. Tuttavia, ciò dipende dalla redditività del processo di riciclaggio in termini di costi e ricavi.

Fig. B: Schema esemplificativo dei processi pirometallurgici e idrometallurgici per il riciclaggio di batterie NiMH, LMO e LCO. ^[2]

La tabella seguente presenta diversi esempi di metalli e prodotti che possono essere recuperati dalle batterie al litio a fine vita attraverso diversi processi di riciclaggio. La tabella indica anche la purezza che si può ottenere da ciascuno di essi, che varia da 90% a 100%.

Fig. C: Sintesi dei metalli e delle sostanze chimiche ottenute dal riciclo dei libretti usati ^[3]

La tabella indica che è possibile recuperare sia metalli puri (cobalto, nichel, rame) che prodotti utilizzabili per produrre nuovi materiali catodici (carbonati, solfati e idrossidi di vari metalli) dai catodi esausti di diversi tipi di batterie al litio, come LCO (LiCoO2), LFP (LiFePO4), LMO (LiMn2O4), NMC (LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2) e NCA (LiNi0,8Co0,15Al0,05O2), attraverso processi fisico-chimici.

Il processo di riciclaggio del futuro

Il processo di riciclaggio attualmente utilizzato per le batterie al litio prevede l'ottenimento degli elementi e dei composti di base per la creazione di nuovi materiali attivi da una "massa nera". Questa massa nera è un impasto di materiali catodici e anodici che deve essere ancora raffinato, con conseguente spreco di energia e di altri materiali.

Fig. D: Processo di riciclaggio effettivo ^[1]

Per migliorare l'efficienza, l'obiettivo è passare a un processo di "riciclaggio diretto". Questo mira a riciclare direttamente i materiali attivi il più possibile, evitando la trasformazione in massa nera e la necessità di raffinare e risintetizzare i materiali catodici e anodici. Questo processo prevede anche l'implementazione di sistemi di raccolta basati sullo stato di salute dei moduli e delle celle, che facilitano e velocizzano la fase di selezione.

Inoltre, la progettazione meccanica delle batterie terrà conto dello smontaggio che avverrà alla fine del loro ciclo di vita, il che faciliterà il disassemblaggio nel processo di riciclaggio. I materiali attivi saranno recuperati e rigenerati il più possibile e solo la parte non rigenerabile sarà trasformata in componenti primari. 

Rispetto al processo attuale, il riciclaggio diretto comporta una maggiore efficienza energetica e una significativa riduzione dei rifiuti. I materiali rigenerati possono essere riutilizzati nel nuovo ciclo di produzione delle celle, ricominciando il ciclo da capo.

Fig. E: Processo di riciclaggio futuro ^[1]

Per ottenere un recupero ottimale nel processo di riciclaggio, è importante selezionare accuratamente i materiali da riciclare e la loro chimica specifica. A tal fine, è necessario migliorare la tracciabilità delle celle attraverso tecnologie quali tag e RFID, che ne identificano in modo univoco la composizione e lo stato di vita. Tuttavia, il processo di riciclaggio è messo a dura prova dai costi sempre più bassi delle celle, che richiedono processi di riciclaggio più convenienti ed efficienti.

Attualmente esistono diversi processi di riciclaggio specializzati in un tipo di batteria per ottenere un'elevata efficienza. 

• I processi Umicore e Sumitomo-Sony consentono di miscelare i prodotti con materiali vergini per utilizzarli in nuove batterie senza sacrificarne la qualità finale.
• Il processo Recupyl oltre al cobalto, permette il recupero di catodi LiFePO ₄ e l'elettrolita LiPF ₆
• Processi Umicore-Valéas e Sumitomo-Sony elettroliti, plastiche, materiali organici, metalli e grafite non vengono recuperati per l'uso diretto, ma vengono parzialmente utilizzati come sottoprodotti per l'industria delle costruzioni, svalutando così il loro valore.

Attualmente il riciclaggio delle batterie LiFePO 4 e LiMn 2 O 4 è limitato a causa del loro basso valore di mercato, ma queste sostanze chimiche sono sempre più utilizzate nell'industria energetica. Con l'aumento della produzione di batterie LiFePO 4, si prevede un aumento del riciclaggio e una riduzione dei costi. Inoltre, questo tipo di batterie è più sicuro di altri materiali e si prevede che il suo utilizzo si espanderà in futuro.

Fig. F: Previsione della quota di mercato della chimica delle batterie, 2015 - 2030 ^[4]

Batteria al litio Second Life: una soluzione combinabile con il riciclo da non sottovalutare.

Sempre più studi parlano di dare una seconda vita alle batterie al litio a fine vita dei veicoli elettrici. Questa soluzione prevede il recupero e il riutilizzo della batteria esausta per altri scopi, come l'accumulo di energia, prima di riciclarla. 

Il riutilizzo prolunga la durata complessiva della batteria e riduce l'impatto ambientale della produzione, del riciclaggio e dello smaltimento. A seconda del tipo di utilizzo, la seconda vita di una batteria può durare anche più di 10 anni. 

In generale, la pratica del Second Life può allungare la vita complessiva della batteria e ridurre il suo impatto ambientale, ma la sua fattibilità dipende dall'applicazione specifica e dall'uniformità delle batterie presenti sul mercato.

Nel settore automobilistico, le batterie sono prodotte in grandi volumi e sono più uniformi, il che facilita il riutilizzo delle batterie al termine della loro vita utile per altri scopi. 

Batterie al litio NCPOWER? Sempre più attenti al tema del riciclaggio e della sostenibilità

In NCPOWER ci concentriamo sulla sostenibilità in tutti gli aspetti della nostra visione aziendale, dall'efficienza energetica del nostro impianto alla progettazione delle nostre batterie. 

Il reparto Ricerca e Sviluppo è al centro di questa strategia, non solo per anticipare le esigenze dei clienti con prodotti innovativi, ma anche per trovare soluzioni più rispettose dell'ambiente. 

NCPOWER utilizza la chimica LFP nelle sue batterie, che è sicura, stabile e completamente priva di cobalto, un materiale ad alto impatto ambientale. Inoltre, il dipartimento di ricerca e sviluppo sta studiando attivamente processi produttivi e materiali più ecosostenibili, al fine di ottimizzare le varie fasi di produzione e il design delle batterie.

Sappiamo che la strada da percorrere è ancora lunga, ma NCPOWER è fiducioso che gli investimenti in materiali e competenze finalizzati all'efficienza e alla sostenibilità possano dare un grande contributo sulla strada verso una società verde. 

Bibliografia

^{[1] https://battery2030.eu/wp-content/uploads/2022/07/BATTERY-2030-Roadmap_Revision_FINAL.pdf}

^{[2] https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/cs /c8cs00297e/}

^{[3] https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2018.07.116}

^{[4] Servizio di stoccaggio energetico di Wood Mackenzie}