Gli scienziati della Rice University hanno sviluppato un breve trattamento al plasma indotto da microonde per recuperare quasi tutti i metalli preziosi presenti nei rifiuti di batterie, che usa solventi a temperatura ambiente e relativamente blandi, tra cui l’acido citrico.
I ricercatori della Rice University hanno creato un metodo di riciclo al plasma che recupera tutti i minerali critici dai rifiuti delle batterie agli ioni di litio in un unico passaggio di pretrattamento rapido ed efficace. Grazie al plasma a microonde, è possibile liberare litio, metalli di transizione e grafite e avviare un riuso pulito, che apre la strada al mining urbano di nuova generazione e a una catena di approvvigionamento delle batterie più solida e sostenibile.
“Con il pretrattamento al plasma, quasi il 95% dei metalli, incluso il litio, può essere recuperato dalla massa nera delle batterie utilizzando solo l’acido contenuto in un limone” spiega Gautam Chandrasekhar, dottorando presso il dipartimento di scienza dei materiali e nanoingegneria della Rice University e primo autore dello studio pubblicato sulla rivista Advanced Materials.
I minerali critici, come quelli utilizzati nelle batterie agli ioni di litio, sono disponibili in quantità limitate e concentrati in specifiche regioni del mondo. Garantire un approvvigionamento affidabile di questi materiali è una priorità per i governi di tutto il mondo, ma la maggior parte delle batterie esauste finisce nelle discariche, rilasciando sostanze chimiche tossiche nell’ambiente. “Il riciclo delle batterie esauste è la soluzione più pratica per affrontare questa catena di approvvigionamento sotto pressione, ma gli studi dimostrano che ciò avviene con meno del 10% dei rifiuti di batterie” continua Chandrasekhar.
Gli attuali protocolli di riciclo prevedono la triturazione dei rifiuti di batterie fino a ottenere una sostanza nota come massa nera, che contiene minerali come litio, cobalto, nichel, grafite, manganese, alluminio e altro ancora. La lavorazione della massa nera per l’estrazione dei minerali richiede in genere processi industriali ad alta intensità energetica che prevedono temperature elevate e acidi forti, e i tassi di recupero sono variabili: “I processi industriali di riciclo delle batterie attualmente in uso hanno un’efficienza di estrazione dei metalli molto bassa e si concentrano principalmente sul catodo” sottolinea Xiang Zhang, professore associato di ricerca presso la Rice University e co-primo autore dello studio.
Il litio può essere particolarmente difficile da recuperare in modo efficiente e la grafite, che costituisce circa il 22% del peso della batteria, viene raramente reintrodotta nelle batterie, perché si danneggia durante i processi di riciclo convenzionali. “Abbiamo ipotizzato che l’utilizzo del plasma indotto da microonde per disgregare le particelle di ossido metallico come fase di pretrattamento avrebbe facilitato il loro recupero idrometallurgico in acidi più deboli” spiega Sohini Bhattacharyya, ricercatrice del gruppo.
Recuperare il 90% di tutti i metalli
Per testare la loro ipotesi, i ricercatori della Rice University hanno imiegato un reattore al plasma a microonde personalizzato, costruito da Zhang. Dopo aver esposto la massa nera al plasma indotto da microonde (un gas energizzato di particelle cariche) per 15 minuti, è stato recuperato oltre il 90% di tutti i metalli in un bagno di acido citrico a temperatura ambiente, mentre il litio è stato recuperato selettivamente in acqua. Inoltre, gli scienziati hanno riscontrato che il trattamento rimuove i residui e i difetti strutturali che si accumulano sulla grafite durante l’utilizzo delle batterie: “La grafite recuperata mostra prestazioni eccellenti come anodo quando viene reintrodotta in una batteria” afferma Chandrasekhar.
La tecnologia di riciclo dei metalli è stata brevettata e il team Rice University si sta muovendo verso la commercializzazione. Le prime analisi tecnico-economiche suggeriscono che il processo potrebbe superare i metodi industriali attuali, in particolare recuperando la grafite in una forma adatta al riutilizzo nelle batterie.
Foto: Jorge Vidal/Rice University
