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Trasformare le vecchie batterie al litio-ferro-fosfato (LFP) in nuove unità con prestazioni energetiche superiori non solo è possibile, ma può fare a meno di processi ad alta intensità energetica, chimicamente complessi o dannosi per l’ambiente. A dimostrarlo è un gruppo di ingegneri dell’Università della California di San Diego, creatori di un nuovo sistema di upcycling delle batterie LFP.
Il dominio delle batterie al litio-ferro-fosfato (cinesi)
La scelta dell’unità elettrochimica da riciclare non è casuale. Oggi questa tecnologia domina il settore delle ricaricabili agli ioni di litio: solo lo scorso anno ha rappresentato oltre la metà delle batterie per veicoli elettrici e oltre il 90% dei sistemi di accumulo di energia stazionari a livello globale. Merito di un costo più contenuto rispetto alle principali concorrenti, le batterie nichel-cobalto-manganese (NMC), e di una migliore adattabilità a cicli di carica e scarica più frequenti, che “compensano” la minore densità energetica.
Uno dei problemi più urgenti in questo campo riguarda la catena di approvvigionamento. La Cina è leader assoluta nella produzione e nell’innovazione delle batterie LFP, così come del loro utilizzo nell’e-mobility. Pechino non governa solo la produzione di celle e moduli ma anche quella dei materiali attivi per gli elettrodi, detenendo la maggior parte dei brevetti. E coprendo la fetta più grande degli approvvigionamenti di materie prime.
In questo contesto per l’Europa, nuovo fulcro della crescita dell’energy storage stazionario, l’indipendenza nel rifornimento di materiali appare sempre più strategica; e se oggi le aziende del vecchio continente non possono competere con l’industria cinese sotto il profilo delle materie prime critiche, possono tuttavia provarci con quello delle materie seconde.
Riciclo batterie LFP, perché in Europa è un problema?
Il riciclo delle batterie LFP è l’unico strumento nel breve termine con cui mettere al sicuro la transizione energetica europea. Ma nella pratica la questione appare complessa. In Europa non esiste un vero e proprio modello di business per il riciclo e il riutilizzo delle unità in litio-ferro-fosfato e questo fa sì che i costi di tali attività siano elevati.
Il risultato? L’LFP riciclato ha un prezzo molto più alto dell’LFP vergine e persino di quello riciclato – la cosiddetta black mass – in Cina dove il recupero dei materiali è incentivato a livello statale. Remi Cornubert, presidente della società di consulenza Strat Anticipation, ha spiegato a S&P Global Energy che affinché il riciclo delle batterie LFP raggiunga il punto di pareggio in Europa, i prezzi del litio dovrebbero tornare a 20.000 dollari/tonnellata.
Non solo. Attraverso i tradizionali processi pirometallurgici e idrometallurgici, è possibile recuperare tutti i componenti elementari ma ad un caro prezzo per le aziende e l’ambiente. Si tratta infatti di processi energivori, chimicamente complessi e a base di sostanze chimiche aggressive.
Una nuova possibilità arriva però dai laboratori di Ingegneria Chimica e Nanotecnologica dell’Università della California. Qui i ricercatori hanno messo a punto un nuovo sistema di upcycling dell’LFP esausto. Il metodo non si limita a preservare la composizione chimica originale, ma aumenta il valore finale dell’output, restituendo un materiale dalle prestazioni elettrochimiche superiori: il LMFP, ossia Litio-Manganese-Ferro-Fosfato.
Si tratta di una delle nuove chimiche per il catodo in grado di offrire una densità energetica più elevata di circa il 10%-28% rispetto al semplice litio-ferro-fosfato pur preservandone i principali vantaggi in termini di sicurezza, durata, economicità e stabilità.
Come funziona il processo di upcycling da LFP a LMFP
“Il processo inizia aprendo i pacchi batteria usati e srotolando la loro struttura interna, nota come “jelly roll” per via dei suoi strati strettamente avvolti”, scrive l’ateneo californiano sul proprio sito. “Una volta srotolato e tagliato in fogli, il materiale viene immerso in acqua, dove una delicata centrifuga aiuta a separare il rivestimento del catodo dal foglio di alluminio che lo sostiene”. Ciò che rimane è una poltiglia costituita da LFP, che viene successivamente essiccata.
È a questo punto che arriva il passaggio più delicato, ossia l’aggiunta di manganese. In che modo? Il team aggiunge all’LFP sali di litio, manganese e fosfato, macinando il tutto e riscaldandolo. I sali formano l’intermedio LMP che si combina uniformemente con l’LFP consentendo al manganese di diffondersi al posto del ferro. Questo riarrangiamento atomico genera una struttura LMFP omogenea, dotata anche di un rivestimento protettivo in carbonio che ne migliora la conduttività.
Gli ingegneri hanno dimostrato che il loro metodo di upcycling delle batterie LFP funziona con diverse unità di differenti produttori. Inoltre, è scalabile fino a quantità di chilogrammi, rendendo quindi l’approccio già vicino all’industrializzazione. I prossimi passi? Il team proverà a ottimizzare efficienza e resa del processo per migliorarne la fattibilità.
Leggi la ricerca completa Generating Isomorphous Intermediates Overcomes Synthesis Barriers for Scalable Direct Upcycling of LiFePO4 Battery Cathodes, pubblicata su Cell.
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