Le bottiglie di plastica potrebbero trovare una nuova vita nelle batterie sotto forma di grafite

In un nuovo studio, i ricercatori hanno convertito il polietilene tereftalato (PET) di scarto in grafite sintetica altamente ordinata, una forma cristallina del carbonio. La grafite ottenuta presentava cristalliti di grandi dimensioni e ben ordinati — ovvero regioni microscopiche di strati di carbonio ben allineati — a indicare una struttura cristallina altamente organizzata. Queste proprietà hanno superato quelle dei campioni commerciali di grafite naturale, indicando che il materiale derivato dal PET presentava una struttura cristallina più ordinata. Tale ordine strutturale è un indicatore chiave dell’idoneità per materiali anodici di alta qualità rispetto alla grafite naturale comunemente utilizzata come punto di riferimento nella ricerca sulle batterie.

I risultati, pubblicati su*Diamond and Related Materials*, suggeriscono che un comune materiale di scarto potrebbe diventare una preziosa fonte di carbonio adatto alle batterie.

«La maggior parte delle persone considera una bottiglia di plastica un rifiuto una volta che ha smesso di usarla», ha affermato Shakshi Sekar, autrice principale dello studio e dottoranda presso il Dipartimento di Ingegneria Energetica e Mineraria “John and Willie Leone Family” della Penn State. «Il nostro lavoro dimostra che lo stesso materiale può diventare una risorsa preziosa per la produzione di grafite, essenziale per le moderne tecnologie delle batterie».

Classificata come minerale critico dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, la grafite è una componente fondamentale delle batterie agli ioni di litio, in quanto funge da materiale anodico che immagazzina e rilascia cariche elettriche. Con la continua crescita della domanda di veicoli elettrici, elettronica di consumo e sistemi di accumulo di energia su scala di rete, cresce anche la domanda di grafite per batterie.

Allo stesso tempo, il PET rimane una delle materie plastiche più utilizzate al mondo, secondo la National Association for PET Container Resources. Sebbene molti consumatori gettino le bottiglie di plastica nei contenitori per la raccolta differenziata, gran parte di quel materiale viene alla fine scartato, riciclato in prodotti di valore inferiore o inviato in discarica.

Il team di ricerca ha affermato di aver individuato un’opportunità per affrontare entrambe le sfide.

Combinando la plastica PET triturata con piccole quantità di ossido di grafene e riscaldando il materiale attraverso un processo termico accuratamente controllato, il team è riuscito a riorganizzare gli atomi di carbonio all’interno della plastica in strutture grafitiche altamente ordinate.

«Non ci stiamo semplicemente limitando a trovare un impiego per la plastica di scarto», ha affermato Sekar. «Stiamo creando un materiale di valore che potrebbe contribuire a sostenere la crescente domanda di batterie e tecnologie per l’energia pulita».

I ricercatori hanno scoperto che l’aggiunta di appena il 2,5% in peso di ossido di grafene produceva grafite di altissima qualità. In tali condizioni, il materiale ha sviluppato dimensioni dei cristalliti superiori a quelle associate alla grafite naturale, indicando un eccezionale grado di ordine strutturale.

Secondo i ricercatori, i gruppi funzionali contenenti ossigeno situati lungo i bordi dei fogli di ossido di grafene contribuiscono ad avviare e favorire la crescita laterale dei cristalli di grafite. Le superfici esposte del grafene fungono da modelli che guidano gli atomi di carbonio in disposizioni stratificate altamente organizzate durante la grafitizzazione, il processo di trasformazione del carbonio in grafite.

L’approccio del team si discosta da molti metodi precedentemente utilizzati per produrre grafite sintetica. Le tecniche di grafitizzazione comuni si basano spesso su catalizzatori metallici quali ferro, nichel o cobalto, che possono lasciare impurità la cui rimozione richiede ulteriori fasi di purificazione chimica.

Questi ricercatori hanno invece utilizzato additivi a base di grafene che favoriscono la grafitizzazione senza introdurre contaminanti metallici.

"Evitando i catalizzatori metallici, possiamo produrre grafite più pulita, riducendo al contempo l’uso di sostanze chimiche e la produzione di rifiuti", ha affermato Sekar.

L’eliminazione delle fasi di rimozione dei catalizzatori potrebbe semplificare la produzione futura e ridurre l’impatto ambientale associato alla produzione di materiali per batterie, hanno affermato i ricercatori.

Sebbene siano necessari ulteriori studi per valutare la produzione su larga scala e le prestazioni delle batterie, lo studio dimostra un percorso promettente per trasformare uno dei flussi di rifiuti più comuni al mondo in un materiale di accumulo energetico di alto valore.

I risultati indicano inoltre un cambiamento più ampio nel modo in cui i rifiuti di plastica potrebbero essere considerati in futuro, ha osservato Sekar.

«Se i rifiuti di plastica possono diventare materia prima per materiali energetici avanzati, questo cambia il nostro modo di concepire il riciclaggio», ha affermato Sekar. «Anziché considerare la plastica come un problema di smaltimento, possiamo vederla come una risorsa che contribuisce a sostenere le tecnologie per l’energia pulita».