Un nuovo reattore "recharge-to-recycle" trasforma i rifiuti delle batterie in nuove materie prime di litio
"La produzione diretta di idrossido di litio di elevata purezza accorcia il percorso di rientro nelle nuove batterie"
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Con l'accelerazione dell'adozione dei veicoli elettrici a livello mondiale, i pacchi batteria a fine vita stanno rapidamente diventando un importante flusso di rifiuti. Il litio è costoso da estrarre e raffinare, e la maggior parte degli attuali metodi di riciclaggio sono ad alta intensità energetica e chimica, e spesso producono carbonato di litio che deve essere ulteriormente trasformato in idrossido di litio per il riutilizzo.
Da sinistra a destra, Sibani Lisa Biswal, Yuge Feng e Haotian Wang.
Jorge Vidal/Rice University
Invece di fondere o sciogliere i materiali delle batterie triturate ("massa nera") in acidi forti, un team di ingegneri della Rice University ha sviluppato un approccio più pulito ricaricando i materiali catodici di scarto per far uscire gli ioni di litio in acqua, dove si combinano con l'idrossido per formare idrossido di litio di elevata purezza.
"Ci siamo posti una domanda fondamentale: Se la carica di una batteria estrae il litio dal catodo, perché non usare la stessa reazione per riciclarlo?", ha detto Sibani Lisa Biswal, presidente del Dipartimento di Ingegneria Chimica e Biomolecolare della Rice e professore di Ingegneria Chimica William M. McCardell. "Abbinando questa chimica a un reattore elettrochimico compatto, possiamo separare il litio in modo pulito e produrre l'esatto sale desiderato dai produttori".
In una batteria funzionante, la carica estrae gli ioni di litio dal catodo. Il sistema di Rice applica lo stesso principio ai materiali catodici di scarto, come il fosfato di ferro e litio. All'inizio della reazione, gli ioni di litio migrano attraverso una sottile membrana a scambio cationico in un flusso d'acqua. Al controelettrodo, un'altra semplice reazione scinde l'acqua per generare idrossido. Il litio e l'idrossido si combinano poi nel flusso d'acqua per formare l'idrossido di litio senza bisogno di acidi aggressivi o altre sostanze chimiche.
La ricerca, pubblicata di recente su Joule, dimostra un reattore a membrana-elettrodo a gap zero che utilizza solo elettricità, acqua e scarti di batteria. In alcune modalità, il processo ha richiesto appena 103 kilojoule di energia per chilogrammo di massa nera - circa un ordine di grandezza in meno rispetto alle comuni vie di lisciviazione con acidi (senza contare le fasi di lavorazione aggiuntive). Il team ha portato il dispositivo a 20 centimetri quadrati, ha eseguito un test di stabilità di 1.000 ore e ha lavorato 57 grammi di massa nera industriale fornita dal partner industriale TotalEnergies.
"La produzione diretta di idrossido di litio di elevata purezza accorcia il percorso verso le nuove batterie", ha dichiarato Haotian Wang, professore associato di ingegneria chimica e biomolecolare e coautore dello studio insieme a Biswal. "Ciò significa meno fasi di lavorazione, meno rifiuti e una catena di approvvigionamento più resistente".
Il processo ha prodotto idrossido di litio con una purezza superiore al 99%, abbastanza pulito da poter essere utilizzato direttamente per la produzione di batterie. Si è inoltre dimostrato altamente efficiente dal punto di vista energetico, consumando appena 103 kilojoule di energia per chilogrammo di rifiuti in una modalità e 536 kilojoule in un'altra. Il sistema si è dimostrato duraturo e scalabile, mantenendo un tasso medio di recupero del litio di quasi il 90% su 1.000 ore di funzionamento continuo.
L'approccio ha funzionato anche con diverse chimiche di batterie, tra cui il litio ferro fosfato, il litio ossido di manganese e le varianti di nichel-manganese-cobalto. Ancora più promettente, i ricercatori hanno dimostrato la lavorazione roll-to-roll di interi elettrodi di fosfato di litio e ferro direttamente dal foglio di alluminio, senza bisogno di raschiare o pretrattare.
"La dimostrazione del roll-to-roll mostra come questo sistema potrebbe essere inserito in linee di disassemblaggio automatizzate", ha detto Wang. "Si inserisce l'elettrodo, si alimenta il reattore con elettricità a basse emissioni di carbonio e si estrae idrossido di litio per batterie".
I ricercatori prevedono di scalare ulteriormente la tecnologia sviluppando pile di superficie maggiore, aumentando il carico di massa nera e progettando membrane più selettive e idrofobiche per sostenere un'elevata efficienza a concentrazioni maggiori di idrossido di litio. Inoltre, considerano il post-trattamento - la concentrazione e la cristallizzazione dell'idrossido di litio - come la prossima grande opportunità per ridurre il consumo energetico complessivo e le emissioni.
"Abbiamo reso l'estrazione del litio più semplice e pulita", ha detto Biswal. "Ora vediamo chiaramente il prossimo collo di bottiglia. Se si affronta il problema della concentrazione, si ottiene una sostenibilità ancora maggiore".
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Pubblicazione originale
Yuge Feng, Yoon Park, Shaoyun Hao, Chang Qiu, Shoukun Zhang, Zhou Yu, Zhiwei Fang, Tanguy Terlier, Chase Sellers, Khalid Mateen, Frank Despinois, Moussa Kane, Sibani Lisa Biswal, Haotian Wang; "A direct electrochemical Li recovery from spent Li-ion battery cathode for high-purity lithium hydroxide feedstock"; Joule
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