La produzione e il riciclaggio delle batterie potrebbero diventare più ecologici grazie a questa "colla"
Niente più fluoro né solventi tossici
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Un nuovo legante per batterie — la sostanza che tiene insieme le parti interne di una batteria — potrebbe rendere le batterie agli ioni di litio più ecologiche e più facili da riciclare senza comprometterne le prestazioni. Creando un legante privo di fluoro e solubile in acqua, gli ingegneri dell’Università della California di San Diego hanno dimostrato di poter semplificare sia la produzione che il riciclaggio delle batterie, riducendo l’uso di sostanze tossiche, il consumo energetico e la produzione di rifiuti. Le batterie realizzate con il nuovo legante hanno offerto prestazioni pari a quelle delle batterie agli ioni di litio convenzionali.
Questo nuovo legante per batterie potrebbe ridurre la presenza di sostanze tossiche, il consumo energetico e la produzione di rifiuti nella produzione e nel riciclaggio delle batterie agli ioni di litio.
David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering
Questo progresso, pubblicato il 9 ottobre su *Nature Communications*, è frutto della collaborazione tra il laboratorio di Zheng Chen, professore presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica e Nanotecnologica «Aiiso Yufeng Li Family» della Jacobs School of Engineering dell’Università della California di San Diego, e John Muldoon del Toyota Research Institute of North America.
Il legante è il materiale simile alla colla che viene miscelato con le polveri degli elettrodi per formare strati solidi, che vengono poi fissati a sottili fogli metallici all’interno della batteria. Questi strati vengono impilati e arrotolati per creare una batteria. Sebbene il legante costituisca una piccola frazione del peso di una batteria, ha un grande impatto sulle modalità di produzione e riciclaggio della stessa.
Le batterie agli ioni di litio utilizzano in genere un legante contenente fluoro perché produce elettrodi fortemente adesivi e uniformi che rimangono stabili durante numerosi cicli di carica e scarica. Ciò consente alle batterie di funzionare meglio e di durare più a lungo.
«Ma quella stessa stabilità rende anche le batterie molto più difficili da riciclare», ha affermato Chen, il cui Laboratorio per i Materiali e l’Energia Sostenibili presso l’Università della California di San Diego è specializzato nello sviluppo di metodi efficienti ed ecocompatibili per il recupero e il riciclaggio dei materiali provenienti dalle batterie agli ioni di litio esaurite.
Il problema del fluoro nei leganti
Un legante contenente fluoro deve essere disciolto in un solvente tossico prima di poter essere miscelato con le polveri degli elettrodi. Dopo il rivestimento degli elettrodi, si utilizzano grandi forni di essiccazione per far evaporare il solvente. Sono quindi necessari ulteriori passaggi per recuperare e purificare il solvente in modo che possa essere riutilizzato. «Queste fasi aggiuntive aumentano in modo significativo i costi e il consumo energetico — oltre all’impatto ambientale — della produzione delle batterie», ha affermato il primo autore dello studio, Jiao Lin, ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Chen.
I leganti contenenti fluoro complicano inoltre il processo di riciclaggio delle batterie. Questi leganti lasciano residui ostinati che richiedono calore elevato o sostanze chimiche corrosive per essere rimossi. Ciò, a sua volta, genera rifiuti pericolosi, oltre a sottoprodotti contenenti fluoro che contaminano i materiali recuperati dalle batterie e ne rendono più difficile il riutilizzo in nuove batterie.
Niente più fluoro né solventi tossici
Per risolvere entrambi i problemi, il team di Chen ha creato un legante privo di fluoro che può essere lavorato utilizzando un solvente non tossico: l’acqua. Sebbene esistano già altri leganti idrosolubili, questi non possiedono la resistenza e la durata necessarie per le batterie ad alte prestazioni, ha spiegato Chen.
Il nuovo legante è composto da due polimeri economici e ampiamente utilizzati. L’acido poliacrilico aiuta la miscela a distribuirsi uniformemente durante la produzione e garantisce flessibilità. Nel contempo, la carbossimetilcellulosa, un materiale di origine vegetale comunemente utilizzato negli alimenti e nei prodotti cartacei, conferisce resistenza e adesività.
I polimeri sono stati dapprima disciolti in acqua. Successivamente, i ricercatori hanno aggiunto l’acido citrico, l’acido presente in natura negli agrumi, per legare chimicamente tra loro i polimeri. Il risultato è una rete strettamente interconnessa, tenuta insieme da vari tipi di legami chimici che si rafforzano a vicenda. Ciò conferisce a questo legante la resistenza, la flessibilità, la stabilità e l’adesione necessarie per competere con i leganti convenzionali contenenti fluoro.
Produzione e riciclaggio delle batterie con il nuovo legante
Le batterie realizzate con il nuovo legante privo di fluoro hanno offerto le stesse prestazioni iniziali delle batterie agli ioni di litio convenzionali. Hanno persino mantenuto la loro capacità più a lungo dopo centinaia o migliaia di cicli di ricarica. Il legante si è inoltre dimostrato compatibile con diversi tipi di elettrodi, tra cui catodi al litio-ferro-fosfato (LFP), catodi ricchi di nichel, anodi in grafite e anodi in silicio.
Il nuovo legante potrebbe inoltre semplificare il riciclaggio delle batterie. Anziché ricorrere a sostanze chimiche aggressive e alle alte temperature per rimuoverlo, come avviene con i leganti contenenti fluoro, i ricercatori hanno semplicemente smontato la batteria e immerso gli elettrodi in acqua. Ciò ha dissolto il legante e ha permesso ai rivestimenti degli elettrodi di separarsi in modo pulito dalle lamine metalliche senza lasciare residui. I materiali degli elettrodi recuperati sono stati poi rigenerati mediante processi di riciclaggio diretto e utilizzati per costruire nuove batterie.
Queste batterie riciclate hanno offerto prestazioni pari a quelle realizzate con materiali per elettrodi recuperati da batterie prodotte con il tradizionale legante contenente fluoro.
I prossimi passi prevedono l’aumento della produzione del legante per la produzione commerciale. I ricercatori stanno ora lavorando all’ottimizzazione del legante per diverse composizioni chimiche delle batterie, al fine di migliorarne le prestazioni. Chen e il suo team intendono commercializzare il legante attraverso la collaborazione con partner industriali.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
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