Dalla spazzatura al tesoro: un nuovo metodo rigenera in modo efficiente le batterie esauste all'ossido di litio e cobalto
Un passo significativo verso il riutilizzo sostenibile delle batterie
Le batterie agli ioni di litio sono essenziali per l'alimentazione dell'elettronica e dei veicoli elettrici, ma la loro durata limitata - tipicamente da 5 a 8 anni - porta a enormi volumi di rifiuti pericolosi. Le attuali tecnologie di riciclaggio, come la pirometallurgia e l'idrometallurgia, sono ad alto consumo energetico, dannose per l'ambiente e inefficienti, soprattutto quando si tratta di catodi gravemente degradati. Questi materiali soffrono spesso di collasso strutturale, esaurimento del litio e formazione di fasi spineliche superficiali come il Co₃O₄, che ostacolano la rigenerazione. Il riciclo diretto offre un'alternativa più pulita, ma deve fare i conti con una diffusione non uniforme del litio e con elevate barriere energetiche. Queste sfide evidenziano l'urgente necessità di metodi innovativi e a basso impatto che possano ripristinare efficacemente la funzionalità dei catodi LIB esauriti.
Illustrazione schematica del processo di rigenerazione dei catodi di ossido di litio e cobalto (LCO) fortemente degradati. Attraverso la macinazione a sfere, il LCO esausto strutturato in fase spinello (SLCO) viene trasformato in un intermedio amorfo (rLCO), facilitando la reintegrazione del litio e il ripristino strutturale. Il successivo trattamento con LiOH consente la formazione di LCO rigenerato (RLCO) con architettura stratificata e prestazioni elettrochimiche ripristinate.
Energy Materials and Devices, Tsinghua University Press
Pubblicato nel marzo 2025 su Energy Materials and Devices, uno studio collaborativo ha svelato una tecnica di macinazione a sfere per rivitalizzare i catodi LiCoO₂ (LCO) invecchiati. Trasformando le strutture cristalline degradate in intermedi amorfi, seguiti da sinterizzazione ad alte temperature, i ricercatori hanno ricostruito con successo l'architettura a strati e recuperato le prestazioni della batteria. I catodi rigenerati hanno dimostrato una capacità di 179,10 mAh-g-¹ a 0,5 C, pari a quella dei nuovi materiali commerciali. Il metodo offre notevoli vantaggi rispetto ai percorsi di riciclaggio convenzionali in termini di efficienza, costi e impronta ambientale, segnando un passo significativo verso il riutilizzo sostenibile delle batterie.
Il cuore di questo studio è una strategia di trasformazione strutturale guidata dalla macinazione a sfere. Il processo converte la fase spinello rigida e soggetta a difetti (Co₃O₄), comunemente formata sui catodi LCO degradati, in una fase amorfa omogenea. Questo intermedio non solo allevia le tensioni interne, ma facilita anche la reintegrazione uniforme del litio durante la successiva sinterizzazione ad alta temperatura. I catodi LCO rigenerati (RLCO) hanno raggiunto un'elevata capacità di scarica, pari a 179,10 mAh-g-¹ a 0,5 C, che corrisponde molto agli standard commerciali. Le metriche delle prestazioni erano promettenti: 91,7% di efficienza coulombiana iniziale e 88% di mantenimento della capacità dopo 100 cicli. La modellazione a elementi finiti ha confermato una diffusione superiore del litio all'interno della fase amorfa, rispetto alle tecniche di riparazione convenzionali. Dal punto di vista economico, il metodo riduce i costi di riciclaggio di circa il 25% rispetto all'idrometallurgia, elimina la generazione di acque reflue tossiche e offre un profitto previsto di 1.503 dollari per chilogrammo di materiale recuperato. Tecniche di caratterizzazione avanzate, tra cui HAADF-STEM, XRD e XPS, hanno verificato il completo ripristino della struttura cristallina stratificata e la rimozione dei difetti legati al Co²⁺. I risultati affrontano gli ostacoli che da tempo si frappongono alla rigenerazione diretta dei catodi e gettano le basi per estendere questo metodo ad altre chimiche catodiche ampiamente utilizzate, come il nichel-manganese-cobalto (NMC) e il litio-fosfato di ferro (LFP).
"Questo lavoro riflette la degradazione strutturale come un'opportunità", ha dichiarato il dott. Guangmin Zhou, autore co-corrispondente dello studio. "L'intermedio amorfo agisce come una 'autostrada di riparazione' per il litio, offrendo una strategia generalizzabile per rigenerare altri materiali catodici come NMC o LFP". Esperti indipendenti hanno sottolineato il potenziale del metodo per una diffusione su larga scala, citando la sua capacità di ridurre la dipendenza dalle materie prime e i rifiuti elettronici. L'equilibrio tra rigore scientifico e fattibilità pratica dello studio lo rende un riferimento importante per il futuro del riciclaggio delle batterie.
Questa tecnica di rigenerazione è molto promettente per la tecnologia sostenibile delle batterie e per gli sforzi dell'economia circolare. Consentendo un riciclaggio efficiente e su larga scala dei catodi LCO degradati, il metodo potrebbe ridurre in modo significativo la dipendenza dal cobalto vergine e dalle risorse critiche di litio con catene di approvvigionamento limitate e sensibili dal punto di vista geopolitico. Il suo rapporto costo-efficacia e la sua semplicità operativa lo rendono adatto all'adozione industriale, con una potenziale integrazione nei flussi di produzione delle batterie esistenti. Inoltre, è in linea con le severe normative ambientali, come il regolamento UE sulle batterie, offrendo un'alternativa a basse emissioni di carbonio e senza rifiuti ai sistemi di riciclaggio tradizionali. Oltre all'LCO, i principi di base dell'ingegneria della fase amorfa e del ripristino strutturale potrebbero essere applicati ad altre chimiche, sostenendo un'innovazione più ampia nelle soluzioni di accumulo energetico di prossima generazione.
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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