Risciacqua e ripeti: è arrivato un nuovo modo semplice per riciclare le batterie

Le batterie agli ioni di litio hanno rivoluzionato l’elettronica e consentito un passaggio accelerato verso l’energia pulita. Queste batterie sono diventate parte integrante della vita del 21° secolo, ma rischiano di esaurirsi prima del 2050. Gli elementi principali utilizzati in ciascuna batteria – litio, nichel, cobalto e grafite – sono sempre più scarsi e costosi, e c’è poco controllo ambientale o del lavoro equo su alcune delle rimanenti catene di approvvigionamento internazionali.

C’è un bisogno urgente di iniziare a riutilizzare i materiali che abbiamo già recuperato e di rendere il processo di produzione delle batterie più sicuro ed equo per tutti. Un team di scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) ha inventato un nuovo materiale per batterie pluripremiato in grado di soddisfare entrambe le esigenze. Il loro prodotto, chiamato legante a sgancio rapido, rende semplice ed economico separare i materiali preziosi delle batterie agli ioni di litio dagli altri componenti e recuperarli per riutilizzarli in una nuova batteria.

"Stiamo arrivando al punto che il riciclaggio delle batterie sarà un requisito", ha affermato il leader del progetto Gao Liu, scienziato senior dell'area delle tecnologie energetiche del Berkeley Lab e membro del Berkeley Lab Energy Storage Center. "Se non smettiamo di bruciarle e di gettarle nella spazzatura, nei prossimi dieci anni esauriremo le risorse. Altrimenti sarebbe semplicemente impossibile tenere il passo con il numero di batterie che il mercato richiede. Semplicemente non c'è abbastanza cobalto , non abbastanza nichel: dobbiamo riciclarlo."Una batteria realizzata con legante a rilascio rapido deve semplicemente essere aperta, collocata in acqua alcalina a temperatura ambiente e agitata delicatamente. Gli elementi separati vengono facilmente filtrati fuori dall'acqua e asciugati all'aria.

È in netto contrasto con l’attuale riciclaggio degli ioni di litio, che prevede prima la triturazione e la macinazione delle batterie, quindi la loro combustione per separare i metalli dagli altri costituenti. Le aziende di riciclaggio mirano a rendere i propri processi il più efficienti possibile, ma a causa della progettazione passata e attuale della maggior parte delle batterie, il recupero degli elementi è ancora ad alta intensità energetica, costoso e rilascia sostanze chimiche tossiche che devono essere gestite con attenzione.

Membri del team (in senso orario dall'alto a sinistra) Robert Kostecki, Direttore della divisione, Divisione Stoccaggio energetico e risorse distribuite; Gao Liu, investigatore principale, Liu Lab; Chen Fang, ricercatore post-dottorato; Muhammad Ihsan Ul Haq, ricercatore post-dottorato (Credito: Marilyn Sargent/Berkeley Lab)

Liu e il suo team del Berkeley Lab Energy Storage Center stavano lavorando sulle batterie al litio-zolfo – una delle possibili alternative agli ioni di litio tradizionali in fase di sviluppo – quando hanno creato il legante a sgancio rapido. Le batterie al litio-zolfo sono un concetto caldo nel mondo della ricerca e dello sviluppo delle batterie perché possono essere prodotte senza il cobalto raro e hanno una densità di energia teorica più elevata rispetto agli ioni di litio; ma ci sono molti problemi di funzionalità che devono essere risolti prima che le batterie possano essere adottate commercialmente. Il legante a rilascio rapido renderebbe le batterie Li-S facilmente riciclabili e sembra risolvere uno dei principali problemi di prestazioni. Questa scoperta è di per sé piuttosto entusiasmante, ma Chen Fang, un ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Liu, si è reso conto che il loro nuovo materiale legante aveva un potenziale ancora più grande: potrebbe essere utilizzato anche nelle odierne batterie agli ioni di litio.

I leganti sono sostanze simili alla colla utilizzate nella maggior parte dei tipi di batterie, comprese le batterie agli ioni di litio e le celle alcaline che utilizziamo negli articoli domestici. Le batterie hanno due elettrodi – il catodo caricato positivamente e l’anodo caricato negativamente – costituiti da sostanze chimiche conduttrici che generano una corrente elettrica e materiali strutturali che mantengono in posizione gli ingredienti attivi per prestazioni costanti e durevoli. I leganti, come suggerisce il nome, legano insieme questi ingredienti e aiutano a mantenere l'architettura della batteria.

Il nuovo legante a rilascio rapido è costituito da due polimeri disponibili in commercio, acido poliacrilico (PAA) e polietilenimmina (PEI), che sono uniti attraverso un legame tra atomi di azoto caricati positivamente nel PEI e atomi di ossigeno caricati negativamente nel PAA. Quando il materiale legante solido viene immerso in acqua alcalina contenente idrossido di sodio (Na+OH–), lo ione sodio entra nel sito di legame, separando i due polimeri. I polimeri separati si dissolvono nel liquido, liberando eventuali componenti dell'elettrodo incorporati al suo interno.