I nanoingegneri dell'Università della California a San Diego hanno sviluppato un processo di riciclaggio efficiente dal punto di vista energetico che ripristina i catodi usati dalle batterie agli ioni di litio esaurite e li fa funzionare come nuovi. Il processo prevede la raccolta delle particelle catodiche degradate da una batteria usata e quindi l'ebollizione e il trattamento termico. I ricercatori hanno costruito nuove batterie utilizzando i catodi rigenerati. Capacità di stoccaggio della carica, il tempo di ricarica e la durata della batteria sono stati ripristinati ai livelli originali.

Questo lavoro presenta una soluzione a un problema ambientale relativo alle batterie agli ioni di litio:cosa fare con loro quando si consumano. Meno del cinque percento delle batterie agli ioni di litio usate viene riciclato oggi.

"Pensa ai milioni di tonnellate di rifiuti di batterie agli ioni di litio in futuro, soprattutto con l'avvento dei veicoli elettrici, e l'esaurimento di risorse preziose come il litio e il cobalto:l'estrazione di più di queste risorse contaminerà la nostra acqua e il nostro suolo. Se possiamo raccogliere e riutilizzare in modo sostenibile i materiali delle vecchie batterie, possiamo potenzialmente prevenire danni e sprechi ambientali così significativi, " ha detto Zheng Chen, un professore di nanoingegneria alla UC San Diego.

Chen, che è affiliato al Sustainable Power and Energy Center dell'UC San Diego, afferma che questo lavoro potrebbe anche affrontare problemi economici legati allo spreco delle batterie. "Il prezzo del litio, il cobalto e il nichel sono aumentati in modo significativo. Il recupero di questi materiali costosi potrebbe ridurre i costi della batteria, " Egli ha detto.

Il nuovo metodo di riciclaggio, pubblicato di recente in Chimica verde , può essere utilizzato per recuperare e ripristinare un materiale catodico della batteria agli ioni di litio chiamato ossido di cobalto di litio, che è ampiamente utilizzato nei dispositivi elettronici di consumo inclusi smartphone e laptop. Il metodo funziona anche su NMC, un popolare catodo di litio contenente nichel, manganese e cobalto, che viene utilizzato nella maggior parte dei veicoli elettrici.

Il metodo prevede la prima raccolta di particelle catodiche da batterie agli ioni di litio esaurite. I ricercatori quindi pressurizzano le particelle del catodo in un ambiente caldo, alcalino, soluzione contenente sale di litio:questa soluzione può essere riciclata e riutilizzata per elaborare più lotti. Dopo, le particelle subiscono un breve processo di ricottura in cui vengono riscaldate a 800 C e quindi raffreddate molto lentamente.

I ricercatori hanno realizzato nuovi catodi dalle particelle rigenerate e poi li hanno testati in batterie costruite in laboratorio. I nuovi catodi hanno mostrato la stessa capacità di accumulo di energia, tempo di ricarica e durata come gli originali.

Una cosa interessante di questo processo, Chen ha notato, è che è essenzialmente lo stesso utilizzato per creare le particelle catodiche originali. "Possiamo semplicemente ripristinare il materiale degradato sottoponendolo alle stesse fasi di lavorazione, " Egli ha detto.

Quando una batteria agli ioni di litio si esaurisce, il materiale del catodo perde alcuni dei suoi atomi di litio. Anche la struttura atomica del catodo cambia in modo tale che è meno capace di spostare gli ioni dentro e fuori. Il processo di riciclaggio sviluppato dal gruppo di Chen ripristina sia la concentrazione di litio del catodo che la struttura atomica ai loro stati originali.

Globale, il processo di riciclaggio utilizza 5,9 megajoule di energia, equivalente all'energia in circa tre quarti di tazza di benzina, ripristinare un chilogrammo di materiale catodico. Diversi altri processi di riciclaggio del catodo delle batterie agli ioni di litio che sono in fase di sviluppo utilizzano almeno il doppio di quell'energia.

L'obiettivo è ottimizzare questo processo per le scale industriali. Il team di Chen sta progettando di lavorare con aziende di batterie in Asia. Una particolare area di miglioramento è la fase di raccolta del catodo, disse Chen. Proprio adesso, le particelle devono essere prelevate manualmente dal resto della batteria. I ricercatori stanno lavorando per semplificare questo passaggio in modo che l'intero processo sia industrialmente fattibile.

Il team di Chen sta perfezionando questo processo in modo che possa essere utilizzato per riciclare qualsiasi tipo di materiale catodico della batteria agli ioni di litio, oltre a litio cobalto ossido e litio NMC. "L'obiettivo è rendere questo un processo di riciclaggio generale per tutti i catodi, " Ha detto Chen. Il team sta anche lavorando a un processo per riciclare gli anodi usati.