I ricercatori della Rice University hanno letteralmente una soluzione per affrontare l'eccesso di batterie agli ioni di litio usate lasciate dalla domanda sempre crescente di veicoli elettrici, cellulari e altri dispositivi elettronici.

Il laboratorio di ricerca dei materiali del Rice, Pulickel Ajayan, ha utilizzato un solvente eutettico profondo rispettoso dell'ambiente per estrarre elementi preziosi dagli ossidi metallici comunemente usati come catodi nelle batterie agli ioni di litio. L'obiettivo. il gol, ricercatori hanno detto, è quello di ridurre l'uso di processi severi per riciclare le batterie e tenerle fuori dalle discariche.

Il solvente, fatto di prodotti di base cloruro di colina e glicole etilenico, estratto più del 90% di cobalto da composti in polvere, e una quantità minore ma comunque significativa dalle batterie usate.

"Rifiuti di batterie ricaricabili, in particolare dalle batterie agli ioni di litio, diventerà una sfida ambientale sempre più minacciosa in futuro poiché la domanda di questi attraverso il loro utilizzo in veicoli elettrici e altri gadget aumenta drasticamente, "ha detto Ajayan.

"È importante recuperare metalli strategici come il cobalto che sono limitati nella fornitura e sono fondamentali per le prestazioni di questi dispositivi di accumulo di energia, " ha detto. "Qualcosa da imparare dalla nostra situazione attuale con la plastica è che è il momento giusto per avere una strategia completa per riciclare il crescente volume di rifiuti delle batterie".

I risultati vengono visualizzati in Energia della natura .

"Questo è stato tentato prima con acidi, " ha detto lo studente laureato Rice e autore principale Kimmai Tran. "Sono efficaci, ma sono corrosivi e non ecologici. Nel complesso, il riciclaggio delle batterie agli ioni di litio è in genere costoso e rappresenta un rischio per i lavoratori".

Anche altri processi hanno degli svantaggi, lei disse. La pirometallurgia comporta la frantumazione e la miscelazione a temperature estreme, e i fumi nocivi richiedono un lavaggio. L'idrometallurgia richiede sostanze chimiche caustiche, mentre altri solventi "verdi" che estraggono ioni metallici spesso richiedono agenti aggiuntivi o processi ad alta temperatura per catturarli completamente.

"La cosa bella di questo solvente eutettico profondo è che può dissolvere un'ampia varietà di ossidi metallici, " Ha detto Tran. "È letteralmente composto da un additivo per mangimi per polli e da un comune precursore di plastica che, se mescolati a temperatura ambiente, formare un chiaro, soluzione relativamente non tossica che ha proprietà solventi efficaci."

Un solvente eutettico profondo è una miscela di due o più composti che congela a temperature molto inferiori a ciascuno dei suoi precursori. In quel modo, lei disse, si può letteralmente ottenere un liquido da una semplice combinazione di solidi.

"La grande depressione dei punti di congelamento e fusione è dovuta ai legami idrogeno formati tra le diverse sostanze chimiche, "Tran ha detto. "Selezionando i precursori giusti, si possono fabbricare solventi "verdi" economici con proprietà interessanti."

Quando Tran si è unito, il gruppo Rice stava già testando una soluzione eutettica come elettrolita nei supercondensatori ad alta temperatura di nuova generazione.

"Abbiamo provato a usarlo nei supercondensatori di ossido di metallo, e li dissolveva, " ha detto il ricercatore di Rice e autore corrispondente Babu Ganguli. "Il colore della soluzione cambierebbe".

L'eutettico stava estraendo ioni dal nichel del supercondensatore.

"Il nostro team ne stava discutendo e presto ci siamo resi conto che potevamo utilizzare quello che si pensava fosse uno svantaggio per l'elettrolita come vantaggio per dissolvere e riciclare le batterie al litio esaurite, " Disse Gangi.

Quello è diventato l'obiettivo di Tran, come ha testato solventi eutettici profondi su ossidi metallici a diverse temperature e scale temporali. Durante i test con polvere di ossido di litio e cobalto, il solvente trasparente ha prodotto un ampio spettro di colori blu-verdi che indicavano la presenza di cobalto disciolto all'interno.

A 180 gradi Celsius (356 gradi Fahrenheit), il solvente ha estratto quasi il 90% degli ioni di litio, e fino al 99% di ioni cobalto dalla polvere quando vengono soddisfatte determinate condizioni.

I ricercatori hanno costruito piccole batterie prototipo e le hanno fatte girare 300 volte prima di esporre gli elettrodi alle stesse condizioni. Il solvente si è dimostrato idoneo a dissolvere il cobalto e il litio separando gli ossidi metallici dagli altri composti presenti nell'elettrodo.

Hanno scoperto che il cobalto potrebbe essere recuperato dalla soluzione eutettica attraverso la precipitazione o persino la galvanica su una rete d'acciaio, in quanto quest'ultimo metodo permetteva potenzialmente di riutilizzare il solvente eutettico profondo stesso.

"Ci siamo concentrati sul cobalto, " ha detto l'allievo di Rice Marco Rodrigues, ora ricercatore post-dottorato presso l'Argonne National Laboratory. "Dal punto di vista delle risorse, è la parte più critica. La batteria del tuo telefono ne avrà sicuramente molta. Anche il litio è molto prezioso, ma il cobalto in particolare non è solo scarso dal punto di vista ambientale, ma anche, dal punto di vista sociale, difficile da ottenere."

Ha notato che il Dipartimento dell'Energia sta compiendo nuovi sforzi per far progredire le tecnologie di riciclaggio delle batterie e ha recentemente annunciato un centro per il riciclaggio delle batterie agli ioni di litio.

Il percorso da seguire richiederà sforzi continui.

"È probabile che non saremo in grado di riciclare e sostituire completamente l'estrazione mineraria, " Tran ha detto. "Queste tecnologie sono relativamente nuove, e c'è molta ottimizzazione che deve essere fatta, come esplorare altri solventi eutettici profondi, ma crediamo veramente nel potenziale per modi più ecologici di fare chimica sporca. La sostenibilità è al centro del lavoro che svolgo e di ciò che voglio fare per il resto della mia carriera".