La professoressa Gisele Azimi e il dottorando Jiakai (Kevin) Zhang hanno proposto un nuovo metodo più sostenibile per recuperare metalli preziosi dalle batterie agli ioni di litio che hanno raggiunto la fine della loro vita utile. Credito:Safa Jinje
Un ricercatore dell'Università di Toronto ha sviluppato una nuova tecnica per aiutare a riciclare i metalli nelle batterie agli ioni di litio, che sono molto richieste a causa dell'aumento delle vendite globali di veicoli elettrici.
Gisele Azimi, professoressa nei dipartimenti di scienza e ingegneria dei materiali e ingegneria chimica e chimica applicata presso la Facoltà di scienze applicate e ingegneria, e il suo team hanno proposto un nuovo metodo più sostenibile per estrarre metalli preziosi, compreso il litio, ma anche il cobalto , nichel e manganese:da batterie agli ioni di litio che hanno raggiunto la fine della loro vita utile.
"Ottenere questi metalli dal minerale grezzo richiede molta energia", afferma Jiakai (Kevin) Zhang, un dottorato di ricerca. candidato in ingegneria chimica e chimica applicata, autore principale di un nuovo articolo recentemente pubblicato su Risorse, conservazione e riciclaggio .
"Se ricicliamo le batterie esistenti, possiamo sostenere la catena di approvvigionamento vincolata e contribuire a ridurre il costo delle batterie dei veicoli elettrici, rendendo i veicoli più convenienti".
Parte dell'impegno del Canada per raggiungere l'azzeramento delle emissioni nette entro il 2050 include un obiettivo obbligatorio che richiede che il 100 percento delle autovetture leggere e degli autocarri nuovi venduti nel paese siano elettrici entro il 2035.
Il raggiungimento di questo obiettivo richiederà un aumento dell'offerta di metalli critici, il cui prezzo è già molto elevato. Ad esempio, il cobalto, un ingrediente chiave nella produzione del catodo delle batterie al litio-nichel-manganese-cobalto-ossido (comunemente abbreviato come NMC) ampiamente utilizzate nei veicoli elettrici, è anche uno dei componenti più costosi delle batterie agli ioni di litio a causa della sua riserva limitata.
"Stiamo per raggiungere un punto in cui molte batterie agli ioni di litio stanno raggiungendo la fine del loro ciclo di vita", afferma Azimi. "Queste batterie sono ancora molto ricche di elementi di interesse e possono fornire una risorsa cruciale per il recupero".
Il riciclaggio non solo può fornire questi materiali a un costo inferiore, ma riduce anche la necessità di estrarre minerale grezzo che comporta costi ambientali ed etici.
L'aspettativa di vita delle batterie per veicoli elettrici è compresa tra 10 e 20 anni, ma la maggior parte delle case automobilistiche fornisce una garanzia solo per otto anni o 160.000 chilometri, a seconda di quale evento si verifica per primo. Quando le batterie dei veicoli elettrici raggiungono la fine del ciclo di vita, possono essere rinnovate per usi di seconda vita o riciclate per recuperare i metalli. Ma oggi molte batterie vengono scartate in modo improprio e finiscono nelle discariche.
"Se continuiamo a estrarre litio, cobalto e nichel per le batterie e poi le mettiamo in discarica a fine vita, ci sarà un impatto ambientale negativo, soprattutto se si verifica una lisciviazione corrosiva di elettroliti e contamina i sistemi idrici sotterranei", afferma Zhang.
I processi convenzionali per il riciclaggio delle batterie agli ioni di litio si basano sulla pirometallurgia, che utilizza temperature estremamente elevate, o sull'idrometallurgia, che utilizza acidi e agenti riducenti per l'estrazione. Questi due processi sono entrambi ad alta intensità energetica:la pirometallurgia produce emissioni di gas serra, mentre l'idrometallurgia crea acque reflue che devono essere trattate e gestite.
Al contrario, il gruppo di laboratorio di Azimi sta utilizzando l'estrazione di fluidi supercritici per recuperare i metalli dalle batterie agli ioni di litio esaurite. Questo processo separa un componente dall'altro utilizzando un solvente di estrazione a temperatura e pressione superiori al suo punto critico, dove adotta le proprietà sia di un liquido che di un gas.
Per recuperare i metalli, Zhang ha utilizzato l'anidride carbonica come solvente, che è stata portata a una fase supercritica aumentando la temperatura oltre i 31ºC e la pressione fino a 7 megapascal.
Nel documento, il team ha dimostrato che questo processo ha abbinato l'efficienza di estrazione di litio, nichel, cobalto e manganese al 90% rispetto ai processi di lisciviazione convenzionali, utilizzando anche meno sostanze chimiche e generando significativamente meno rifiuti secondari. Infatti, la principale fonte di energia spesa durante il processo di estrazione del fluido supercritico era dovuta alla compressione di CO2 .
"Il vantaggio del nostro metodo è che utilizziamo l'anidride carbonica dell'aria come solvente invece di acidi o basi altamente pericolosi", afferma. "L'anidride carbonica è abbondante, economica e inerte, ed è anche facile da maneggiare, sfiatare e riciclare".
L'estrazione del fluido supercritico non è un processo nuovo. È stato utilizzato nell'industria alimentare e farmaceutica per estrarre la caffeina dai chicchi di caffè sin dagli anni '70. Il lavoro di Azimi e del suo team si basa sulla ricerca precedente nel Laboratorio per i materiali strategici per recuperare elementi di terre rare dalle batterie al nichel-metallo-idruro.
Tuttavia, questa è la prima volta che questo processo viene utilizzato per recuperare metalli dalle batterie agli ioni di litio, afferma.
"Crediamo davvero nel successo e nei vantaggi di questo processo", afferma Azimi.
"Ora ci stiamo muovendo verso la commercializzazione di questo metodo per aumentarne il livello di prontezza tecnologica. Il nostro prossimo passo è finalizzare le partnership per costruire strutture di riciclaggio su scala industriale per le risorse secondarie. Se fosse abilitato, sarebbe un grande punto di svolta". + Esplora ulteriormente
