Processo di riciclo e riuso di elettrodi di batterie a ioni di litio

Abstract

L'obiettivo di questa ricerca è stato lo sviluppo e il miglioramento del protocollo di riciclo delle batterie agli ioni di litio, intervenendo sugli elettrodi e sul reinnesto del litio nel catodo, in quanto nel mondo non vi è ancora una soluzione semplice e univoca. L'emergenza nasce dalle previsioni sull'aumento esponenziale di queste batterie nei prossimi anni, in particolare per impiego automobilistico e un accumulo di tonnellate di materiale a fine vita inquinante e non riutilizzato. Diviene fondamentale recuperare metalli preziosi come litio e cobalto, essenziali per il loro funzionamento e sempre meno disponibili nella crosta terrestre. Dopo aver progettato un protocollo di apertura batterie, sicuro e a basso impatto ambientale, il lavoro si è concentrato sull'estrazione del litio attivo dalla batteria tramite lisciviazione di acidi organici (combinazioni di acido citrico, ossalico, malico, ascorbico), cercando di preservare la struttura del materiale attivo catodico. Trovata la combinazione migliore per l'estrazione tramite analisi ICP-AES, il catodo viene ridotto in polvere e unito alla soluzione per reinnestare il litio estratto, attraverso processo di essiccazione, calcinazione e sinterizzazione. Le polveri sono state analizzate tramite spettroscopia fotoelettronica e diffrazione a raggi X. Come ultimo obiettivo sono stati realizzati elettrodi in solvente acquoso per la costruzione di celle personalizzate, eliminando l'utilizzo di solventi tossici comuni come N-metil pirrolidone (NMP). Questo facilita il processo di produzione delle batterie e il loro riciclo e diminuisce l'impatto ambientale, favorendo l'economia circolare richiesta dal Green Deal europeo.

The aim of this research is the development and improvement of the lithium-ion battery recycling protocol, operating on the electrodes and on the re-insertion of lithium in the cathode, as there is still no simple and unambiguous solution in the world. The emergency arises from forecasts on the exponential increase of these batteries in the coming years, in particular for automotive use and an accumulation of tons of polluting and unreused end-of-life material. It becomes essential to recover precious metals such as lithium and cobalt, essential for their functioning and less and less available in the earth's crust. After designing a battery opening protocol, safe and with low environmental impact, the work focused on the extraction of active lithium from the battery by leaching organic acids (combinations of citric, oxalic, malic, ascorbic acids), trying to preserve the structure of the cathodic active material. Once the best combination has been found for extraction by ICP-AES analysis, the cathode is reduced to a powder and combined with the solution to re-graft the extracted lithium, through drying, calcination and sintering. The powders were analyzed by photoelectron spectroscopy and X-ray diffraction. As a final objective, electrodes in aqueous solvent were created for the construction of custom cells, removing common toxic solvents such as N-methyl pyrrolidone (NMP). This facilitates the battery production process and their recycling and decreases the environmental impact, favoring the circular economy required by the European Green Deal.