Come vengono (effettivamente) riciclate le batterie dei veicoli elettrici?

Il riciclaggio delle batterie dei veicoli elettrici (EV) è fondamentale per un sistema di trasporto sostenibile ed elettrificato. Una parte sostanziale dei minerali chiave per l’elettrificazione potrebbe provenire da batterie riciclate entro il 2050, riducendo drasticamente la necessità di nuove attività minerarie.

Ma il modo in cui queste batterie vengono riciclate può fare una grande differenza: dobbiamo utilizzare processi di riciclo con tassi di recupero dei minerali elevati e un impatto ambientale inferiore. In questo post del blog spiegherò diversi modi per riciclare le batterie e perché è essenziale farlo nel modo giusto.

Le tre tipologie di riciclo, qui riassunte, verranno discusse più avanti in modo più approfondito, compreso il pretrattamento che deve avvenire prima del riciclo. Questa tecnologia può creare confusione e complessità, quindi ho incluso una sezione sui termini per le parole in corsivo alla fine di questo pezzo.

• Riciclaggio idrometallurgico è la migliore tecnologia disponibile perché ha tassi di recupero minerali elevati e comporta un basso impatto ambientale. Utilizza soluzioni liquide per separare i minerali.
• Riciclo diretto è ancora in fase di sviluppo ma ha un basso impatto ambientale e recupera l’elettrodo positivo intatto, il che significa che questo prodotto salta una fase del processo di produzione della batteria. Il riciclaggio diretto ha tassi di recupero del litio inferiori rispetto al riciclaggio idrometallurgico, ma è ideale per la produzione di rottami e batterie al litio-ferro-fosfato (LFP).
• Riciclatura pirometallurgicag (fusione) è la tecnologia meno ideale perché non recupera litio, alluminio o manganese e comporta il massimo impatto ambientale. Inoltre, il risultato deve passare attraverso un’ulteriore fase di raffinazione idrometallurgica prima di essere pronto per la produzione di batterie.

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Pre-elaborazione

Prima del riciclaggio, uno smantellatore rimuove la batteria dal veicolo elettrico e la spedisce a un riciclatore di batterie. Il riciclatore prende la batteria pacchetto a parte in più piccoli moduli. Questi moduli sono tipicamente rettangolari e si incastrano nella confezione, in modo simile a una scatola di domino. All’interno di ciascun modulo sono presenti batterie rettangolari cellule. Tesla utilizza un design diverso, in cui le celle sono cilindriche anziché rettangolari.

Il riciclaggio pirometallurgico brucia l’intera batteria; pertanto, il materiale è pronto per il riciclaggio dopo la decostruzione a livello di modulo o cella. I metodi idrometallurgici e di riciclaggio diretto richiedono la separazione dei numerosi strati cellulari gli uni dagli altri per ottenere un prodotto di valore superiore, richiedendo un’ulteriore pre-elaborazione.

In questi passaggi aggiuntivi, il modulo o la cella vengono sottoposti a a trituratore meccanico per spezzarlo in piccoli pezzi. L’output viene quindi separato tramite setacci, magneti e tavoli agitatori per isolare una polvere che contiene litio, cobalto e nichel (la polvere è chiamata messa nera).

Riciclaggio idrometallurgico

• Alti tassi di recupero: 90-99% nichel, cobalto, litio
• Basso impatto ambientale
• Ideale per batterie contenenti nichel e cobalto

L’idrometallurgia utilizza soluzioni liquide e a base chimica per recuperare minerali dalla polvere che contiene metalli preziosi (messa nera) recuperati dal suddetto pretrattamento. La polvere di massa nera contiene la colla (raccoglitore) che attacca l’elettrodo positivo (catodo) ed elettrodo negativo (anodo) al foglio di alluminio e rame (attuale collezionista).

I riciclatori utilizzano diversi processi per separare gli elettrodi dal foglio, comprese le due grandi categorie di pretrattamento chimico E pretrattamento termico. I trattamenti chimici utilizzano un acido per sciogliere la colla, ma è necessario seguire processi aggiuntivi, come il trattamento termico, per bruciare i residui. Il solo pretrattamento termico può anche separare gli elettrodi positivi dalla pellicola riscaldando e bruciando la colla e l’elettrodo negativo. Il processo di combustione crea gas, quindi sono necessarie apparecchiature di purificazione aggiuntive, compresi gli scrubber.

Questo trattamento termico è tecnicamente considerato un processo di riciclaggio pirometallurgico ma differisce significativamente dalla fusione spiegata nella sezione pirometallurgica di seguito. Utilizza temperature più basse che non modificano lo stato del cobalto, del litio e del nichel che stiamo recuperando.

Nel riciclatore viene quindi lasciata una polvere contenente i minerali. Innanzitutto, questo viene sciolto in un liquido (lisciviazione), tipicamente perossido di idrogeno e acido solforico. Successivamente, l’obiettivo è rimuovere i metalli preziosi dalla soluzione. Un approccio è l’estrazione con solvente. Questa tecnica utilizza due liquidi con diverse solubilità (si pensi all’olio e all’acqua) per separare i minerali in modo naturale. Ciò fa sì che i minerali si dividano con i liquidi per una raccolta accessibile.

Le acque reflue create da questo processo devono passare attraverso il trattamento delle acque. In alcune operazioni (ma non in tutte!), riutilizzano quest’acqua nella struttura. Inoltre, il processo crea una grande quantità di solfato di sodio, un sottoprodotto sicuro e di basso valore utilizzato per produrre articoli domestici come i detersivi.

Il materiale in uscita dal riciclaggio idrometallurgico dipende dalle sostanze chimiche e dai processi utilizzati. Il prodotto finale di alcune aziende è un precursore dell’elettrodo positivo, il che significa che recuperano una miscela di minerali (precursore dell’elettrodo positivo), come nichel-manganese-cobalto (NMC). Recuperare insieme questi minerali è l’ideale perché il produttore della batteria che acquista il prodotto del riciclatore non deve produrre il precursore dell’elettrodo positivo. Altri metodi recuperano i singoli materiali (litio, cobalto e solfato di nichel o sali di carbonato) utilizzati per creare un nuovo elettrodo. I tassi di recupero variano in base ai processi specifici, ma un’azienda segnala un tasso di recupero del 99% per i materiali catodici.

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Riciclo diretto

• Alti tassi di recupero: 90% nichel e cobalto, 50% litio
• Minor impatto ambientale
• Recupera il prodotto di altissima qualità
• Ideale per:
  • batterie di valore inferiore come litio-ferro-fosfato
  • scarti di produzione e batterie non utilizzate/invecchiate

Il riciclaggio diretto crea un elettrodo positivo ringiovanito pronto per la produzione di una nuova batteria. Questo processo è ancora in fase di sviluppo ma sarà probabilmente più favorevole per le batterie che non contengono minerali di alto valore come cobalto e nichel, come il litio-ferro-fosfato (LFP). Il minor costo degli input è parte del fascino delle batterie agli ioni di litio che utilizzano LFP, rendendo antieconomico il recupero dei singoli minerali attraverso il riciclaggio idrometallurgico. L’LFP è redditizio se riciclato utilizzando il riciclaggio diretto perché recupera l’elettrodo positivo, rendendolo un prodotto molto più prezioso rispetto al semplice recupero dei singoli minerali.

Per le batterie agli ioni di litio di valore superiore, come quelle al nichel-manganese-cobalto (NMC), il riciclaggio diretto è più applicabile per il materiale di scarto che proviene direttamente dalla produzione perché la struttura cristallina dell’elettrodo viene danneggiata durante l’uso della batteria.

Prima del riciclaggio, le batterie vengono triturate. La massa nera recuperata viene trattata in modo simile al riciclo idrometallurgico, con lievi modifiche nella modalità di rimozione della colla e nella separazione dell’elettrodo negativo da quello positivo. Ad esempio, invece di bruciare l’elettrodo negativo, tipicamente la grafite, i riciclatori sfruttano la natura idrofobica della grafite mentre viene riscaldata per attirarla sulla superficie di una soluzione liquida (l’elettrodo positivo è idrofilo, respinto dalle bolle!). La grafite si trova nella schiuma in alto, mentre gli altri minerali restano in basso. Questo processo è chiamato flottazione della schiuma.

L’elettrodo positivo recuperato non contiene la quantità necessaria di litio a causa del degrado e della perdita durante il primo utilizzo in una batteria. Pertanto, è necessario aggiungere più litio (relitiazione). Inoltre, poiché la chimica delle batterie agli ioni di litio continua ad evolversi e per garantire che i materiali riciclati siano ancora utilizzabili, l’elettrodo positivo recuperato può essere modificato o riciclato aggiungendo ulteriori minerali (ad esempio aggiungendo più cobalto).

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Riciclo pirometallurgico

• Bassi tassi di recupero: nichel e cobalto recuperati nella lega, 0% recupero litio
• Massimo consumo di energia ed emissioni di gas serra

Il riciclaggio pirometallurgico è un’ampia categoria che comprende tutte le tecnologie che utilizzano alte temperature per estrarre e purificare i metalli. Diversi processi discussi per il riciclaggio idrometallurgico e diretto rientrano tecnicamente in questa categoria. Tuttavia, utilizzano temperature più basse rispetto al riciclaggio pirometallurgico in questa sezione. Questo tipo di pirometallurgia ad alta temperatura è chiamato fusione. La fusione non recupera tutti i minerali e richiede un elevato utilizzo di energia per raggiungere le temperature necessarie.

La fusione riscalda i materiali della batteria al di sopra del punto di fusione per separare i metalli mentre sono in forma liquida. Non è necessario distruggere la batteria, poiché il modulo batteria o la cella vanno direttamente nel forno. La batteria viene prima riscaldata a 350-600* C per bruciare l’elettrolito e poi riscaldata a circa 1200-1450* C per fondere i metalli in una lega. Il riciclatore integra il trattamento dei gas di scarico dovuti ai gas tossici creati in questo processo. La lega metallica risultante contiene cobalto, nichel, rame e ferro. La fusione perde litio, alluminio e manganese nelle scorie. La lega metallica deve subire anche un successivo processo idrometallurgico per recuperare il cobalto e il nichel. Il processo perde una parte significativa del litio sotto forma di polvere. Sebbene gli attuali riciclatori non stiano perseguendo tale obiettivo, un ulteriore processo idrometallurgico può recuperare il litio.

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Politica di riciclaggio delle batterie

Una solida politica di riciclaggio garantirebbe che tutte le batterie dei veicoli elettrici siano riciclate in modo sicuro. Idealmente, gli Stati Uniti seguirebbero i nostri partner globali e attuerebbero la responsabilità estesa del produttore (EPR). L’EPR ritiene le case automobilistiche responsabili del riciclaggio di tutte le batterie. Il riciclaggio è un passo cruciale in un sistema di trasporto e in una catena di fornitura sostenibili e le case automobilistiche sono pronte a creare una rete di raccolta delle batterie in disuso e a progettare batterie che possano essere riciclate più facilmente. Ma come sottolinea questo post sul blog, anche il modo in cui vengono riciclati è importante!

I riciclatori devono recuperare la maggior quantità possibile di minerali con il minor impatto potenziale, il che significa utilizzare un metodo di riciclaggio idrometallurgico o diretto invece dell’alternativa pirometallurgica.

Questo settore del riciclaggio si sta rapidamente evolvendo con l’aiuto di istituti di ricerca come ReCell. Pertanto, suggeriamo che la politica fissi i tassi di recupero di base invece di definire il percorso tecnologico. Ad esempio, l’Unione Europea (UE) ha adottato questo approccio. La legge europea sulle batterie prevede che i processi di riciclaggio abbiano un tasso di recupero nel 2025 del 90% per cobalto, nichel e rame e del 50% per il litio, con un aumento rispettivamente al 95% e all’80% nel 2030. La politica di riciclaggio si sta sviluppando in California , e speriamo che lo Stato applichi un approccio simile.

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Per gentile concessione dell’Unione degli scienziati interessati, The Equation. Di Jessica Dunn, analista senior del Clean Transportation Program