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Le batterie agli ioni di litio usate devono essere riciclate in modo da preservare le risorse. L'Empa e Kyburz Switzerland AG hanno sviluppato un impianto pilota a questo scopo, per recuperare i materiali nella forma più pura possibile.
Tutti conoscono il fenomeno del telefono cellulare o del computer portatile: con il passare del tempo, la capacità della batteria diminuisce e si deve ricorrere sempre più spesso al cavo di ricarica. Lo stesso vale per le batterie molto più grandi dei veicoli elettrici: anche se i produttori di veicoli possono oggi garantire una durata di otto-dieci anni per le batterie agli ioni di litio dei veicoli elettrici, prima o poi anche queste dovranno essere riciclate. In un progetto sostenuto dall'Ufficio federale dell'energia (UFE), il produttore svizzero di veicoli elettrici Kyburz Switzerland AG e l'Empa si sono posti l'obiettivo di riciclare le batterie dismesse dei veicoli elettrici. Con il supporto dell'Empa, Kyburz ha sviluppato un impianto di riciclaggio che scompone le vecchie batterie nei loro componenti.
Il concetto «Multi-Life» mira a ridurre la domanda di materie prime primarie
Tuttavia, prima che una batteria finisca nell'impianto di riciclaggio, può avere una seconda, a volte addirittura una terza vita. Dopo il primo utilizzo, una batteria può ancora essere usata in veicoli «di seconda vita», alimentati da batterie già utilizzate. Se la capacità della batteria continua a diminuire, non è detto che questa sia la fine. Le batterie con capacità ridotta potrebbero essere installate in applicazioni stazionarie per immagazzinare energia solare, ad esempio. Questo concetto di «vita multipla» dovrebbe ridurre significativamente la domanda di materie prime primarie in futuro.
In caso di riciclaggio diretto, smontare la batteria solo per quanto necessario.
Se la capacità della batteria non è più sufficiente per questo ulteriore utilizzo, viene infine inviata all'impianto di riciclaggio. «In questo tipo di batteria, il catodo, il separatore e l'anodo sono installati in diversi strati in un alloggiamento di plastica», spiega Andrin Büchel, ricercatore dell'Empa del dipartimento «Tecnologia e società». Srotolando abilmente il separatore, i catodi e gli anodi - fogli metallici rivestiti di particelle che consentono di immagazzinare gli ioni di litio - vengono smistati in due contenitori separati. I materiali degli elettrodi vengono quindi recuperati. Il catodo, un foglio di alluminio rivestito con particelle di fosfato di ferro e litio, viene posto in un bagno d'acqua, dove le particelle si staccano dal foglio e vengono recuperate sotto forma di polvere dopo essere state decantate e asciugate. La stessa procedura viene utilizzata per l'anodo, che consiste in un foglio di rame rivestito con particelle di grafite. In questo caso, però, si produce una sospensione omogenea, che richiede un ulteriore passaggio in una centrifuga per separare le particelle. «Alla fine del processo di riciclaggio, otteniamo l'alloggiamento, il separatore, le lamine di alluminio e rame e gli elettrodi suddivisi per tipo», spiega Büchel. Questo tipo di processo di riciclaggio è noto come riciclaggio diretto. «Nel riciclaggio diretto, la batteria viene smontata solo nella misura necessaria a mantenere le proprietà funzionali dei materiali. Questo ci permette di ridurre al minimo il numero di fasi di lavoro necessarie, anche per l'ulteriore lavorazione», afferma Büchel.
L'obiettivo finale è quello di costruire nuove batterie a partire da materiale riciclato.
Ma il lavoro non è ancora finito con il recupero dei materiali. Devono essere rigenerati per poter essere riutilizzati in una nuova batteria. Büchel e il suo collega dell'Empa Edouard Quérel stanno attualmente lavorando proprio su questo aspetto in tutti i dipartimenti. Nel laboratorio di batterie del dipartimento «Materiali per la conversione dell'energia» hanno già scoperto il meccanismo alla base dell'invecchiamento del materiale catodico. «Il litio ferro fosfato ha una struttura cristallina che rilascia e riassorbe gli ioni di litio durante ogni ciclo di carica e scarica», spiega Büchel. «Questa struttura rimane intatta, ma la quantità di ioni di litio attivi diminuisce nel tempo». I ricercatori stanno attualmente lavorando per «rinfrescare» il materiale del catodo aggiungendo litio in modo mirato. L'obiettivo finale è quello di utilizzare il materiale riciclato per costruire nuove batterie il più efficienti possibile e chiudere il ciclo.
I processi di riciclaggio convenzionali sono meno efficienti dal punto di vista delle risorse
Nei processi di riciclaggio convenzionali, le batterie vengono triturate e i materiali riciclabili vengono separati con processi termici e chimici a umido. In confronto, il riciclaggio diretto è ritenuto più efficiente dal punto di vista delle risorse, in quanto utilizza meno energia e nessuna sostanza chimica. Tuttavia, il processo sviluppato da Kyburz e dall'Empa è attualmente adatto solo per il design specifico e la chimica delle celle delle batterie utilizzate, tra l'altro, nei veicoli Kyburz. «Attualmente stiamo studiando se e come questo processo possa essere trasferito ad altri tipi di celle nell'ambito del progetto Innosuisse ‹CircuBAT›, al quale partecipano altre 23 aziende partner oltre a Kyburz», spiega Büchel.