I ricercatori della Rice University hanno trovato una soluzione per affrontare il problema del riciclaggio delle batterie agli ioni di litio sempre più utilizzate per i veicoli elettrici, cellulari e altri dispositivi elettronici. I risultati sono stati pubblicati su Nature Energy.
Pulickel Ajayan scienziato dei materiali del laboratorio della Rice University ha utilizzato un ecologico solvente eutettico profondo per estrarre elementi preziosi dagli ossidi metallici comunemente usati come catodi nelle batterie agli ioni di litio. L’obiettivo del team di ricercatori, è di ridurre l’uso di processi difficili per riciclare le batterie e tenerle fuori dalle discariche.
Il solvente, costituito da prodotti a base di cloruro di colina e glicole etilenico, ha estratto oltre il 90% di cobalto dai composti in polvere e una quantità minore ma ancora rilevante dalle batterie usate.
Pulickel Ajayan ha detto:
«Lo spreco della batteria ricaricabile, in particolare delle batterie agli ioni di litio, in futuro diventerà una sfida ambientale sempre più minacciosa poiché la domanda per questo dispositivo attraverso il loro utilizzo in veicoli elettrici e altri gadget aumenterà drammaticamente.
E’ importante recuperare metalli strategici come il cobalto, limitati nella fornitura, sono fondamentali per le prestazioni di questi dispositivi di accumulo di energia. L’attuale problematica con la plastica ci ha suggerito che è il momento giusto per avere una strategia completa per riciclare il crescente volume di rifiuti delle batterie».
Kimmai Tran del team di ricerca ha detto:
«Il riciclo in precedenza è stato tentato con gli acidi, sono efficaci ma corrosivi e non ecologici. Riciclare le batterie agli ioni di litio nel suo complesso è in genere costoso e rappresenta un rischio per i lavoratori.
E’ noto che altri processi hanno degli svantaggi. La pirometallurgia (è uno dei tre metodi principali usati in metallurgia per estrarre metalli dai rispettivi minerali) oltre allo schiacciamento, la miscelazione a temperature estreme e fumi nocivi, richiede il lavaggio.
L’idrometallurgia (si basa sulla chimica in soluzione acquosa per ricavare il metallo da minerali, da minerali arricchiti o da materiali riciclati o residui) comporta l’utilizzo di sostanze chimiche caustiche; altri solventi “verdi” che estraggono ioni metallici per catturarli completamente, spesso richiedono agenti aggiuntivi o processi ad alta temperatura.
Il bello di questo solvente eutettico profondo è che può sciogliere una grande varietà di ossidi metallici. E’ realizzato con un additivo per mangimi per polli e un comune precursore di plastica che, se miscelati insieme a temperatura ambiente, forma una soluzione chiara, relativamente non tossica che ha efficaci proprietà solvatanti.
Il solvente eutettico profondo è una miscela di due o più composti, si congela a temperature molto inferiori a ciascuno dei suoi precursori. E’ possibile ottenere in questo modo un liquido da una semplice combinazione di solidi.
La grande depressione dei punti di congelamento e fusione è dovuta ai legami d’idrogeno formati tra le diverse sostanze chimiche, selezionando i precursori giusti, è possibile produrre solventi ecologici, economici con interessanti proprietà”.
I ricercatori della Rice University quando Kimmai Tran è entrata a fare parte del gruppo, stavano già testando una soluzione eutettica come elettrolita nei supercondensatori ad alta temperatura di nuova generazione.
Babu Ganguli scienziato, ricercatore della Rice University, ha detto:
«Abbiamo provato a usarlo nei supercondensatori di ossido di metallo, li stava dissolvendo, cambiando il colore della soluzione. L’eutettico stava estraendo ioni dal nichel del supercondensatore. Il nostro team si è reso conto che potevamo usare quello che si pensava fosse uno svantaggio per l’elettrolita come un vantaggio per lo scioglimento e il riciclaggio delle esaurite batterie al litio».
Kimmai Tran ha iniziato a testare i solidi solventi eutettici su ossidi metallici a diverse temperature e scale temporali. Il solvente trasparente durante i test con polvere di ossido di litio e cobalto, ha prodotto un ampio spettro di colori blu-verde, indicava che all’interno la presenza di cobalto era dissolta.
Il solvente alla temperatura di 180 ºC ha estratto quasi il 90% degli ioni di litio e fino al 99% degli ioni di cobalto dalla polvere quando sono state soddisfatte determinate condizioni.
I ricercatori hanno costruito piccoli prototipi di batterie, le hanno testate 300 volte prima di esporre gli elettrodi alle stesse condizioni. Il solvente si è dimostrato capace di sciogliere il cobalto e il litio mentre separava gli ossidi metallici dagli altri composti presenti nell’elettrodo.
I ricercatori in seguito hanno scoperto che il cobalto poteva essere recuperato dalla soluzione eutettica attraverso la precipitazione o addirittura la galvanoplastica (spesso è utilizzata in elettronica per creare piste di collegamento di circuiti) su una rete di acciaio, poiché quest’ultimo metodo poteva consentire il riutilizzo del medesimo solvente eutettico profondo.
Marco Rodrigues, ricercatore presso l’Argonne National Laboratory, ha detto:
«Ci siamo concentrati sul cobalto, dal punto di vista delle risorse, è la parte più critica. La batteria del cellulare contiene molto cobalto. Il litio è molto prezioso, ma c’è fame di cobalto, un elemento chiave per realizzare il catodo, il polo negativo della batteria. Si stima che la batteria di uno smartphone contenga dai 5 ai 10 grammi di cobalto raffinato, mentre una batteria per auto elettriche può contenerne fino a 15 chili. Le previsioni di Benchmark Mineral Intelligence indicano che la domanda mondiale di cobalto, già triplicata negli scorsi cinque anni, raddoppierà entro il 2020.
Il Dipartimento dell’Energia sta compiendo nuovi sforzi per far avanzare le tecnologie di riciclaggio delle batterie, recentemente ha annunciato un centro per il riciclaggio delle batterie agli ioni di litio. Il percorso futuro richiederà impegni continui.
E’ probabile che non saremo in grado di riciclare e sostituire completamente l’attività mineraria, queste tecnologie sono relativamente nuove, c’è molta ottimizzazione da fare, come quella di esplorare altri eutettici profondi.
Crediamo veramente nel potenziale di fare “chimica sporca” con metodi più ecologici. La sostenibilità è nel cuore del lavoro che faccio e di quello che voglio fare per il resto della mia carriera».