Energia
Riciclo delle batterie agli ioni di litio esauste: una panoramica del 2023
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La combustione dei combustibili fossili influisce sull’ambiente. A seconda del combustibile e delle condizioni di combustione, produce anidride carbonica, acqua, monossido di carbonio e ossidi di azoto e zolfo. Diversi inquinanti sono nocivi per la salute, mentre le emissioni di CO₂ contribuiscono al riscaldamento globale. Questa panoramica esamina il riciclo delle batterie e alcuni esempi aziendali dal punto di vista del 2023.
La transizione dai combustibili fossili aumenta la domanda di batterie. Una previsione storica riportata nell’articolo originale stimava che il mercato globale delle batterie sarebbe cresciuto da 112 miliardi di dollari statunitensi nel 2021 a 424 miliardi nel 2030. È una vecchia previsione, non il fatturato effettivo del 2023. Comprendeva batterie agli ioni di litio, zinco-biossido di manganese, piombo-acido, nichel-metallo idruro, nichel-cadmio, sodio-zolfo, nichel-zinco, piccole batterie sigillate al piombo e batterie a flusso.
In quella previsione, le batterie agli ioni di litio e al piombo rappresentavano le quote maggiori, lasciando il resto alle altre tecnologie.
Dei 424 miliardi di dollari previsti per il 2030, circa 257 miliardi riguardavano gli ioni di litio e 121 miliardi il piombo. In base a queste cifre arrotondate, le quote sono rispettivamente circa il 60,6% e il 28,5%, per un totale dell’89,2%. Alle altre tecnologie restava quindi circa il 10,8%, non il 13%.
Dove Vengono Impiegate Queste Batterie?
Le batterie al litio‑ion si trovano comunemente nella maggior parte dei dispositivi elettronici portatili di consumo intorno a noi, inclusi telefoni cellulari e laptop. Sono anche la scelta principale per la maggior parte dei veicoli totalmente elettrici e ibridi plug‑in (PHEV), che stanno guadagnando terreno a un ritmo notevolmente rapido.
Le batterie al piombo hanno un’energia specifica inferiore a quelle agli ioni di litio e possono perdere prestazioni al freddo. Il costo contenuto e la tecnologia consolidata le rendono però utili per avviamento, alimentazione di riserva e carichi ausiliari. Durata ed efficienza dipendono da progetto e impiego.
Le batterie nichel‑metallo idruro sono utilizzate nei computer e nelle apparecchiature mediche e sono anche significative nei veicoli ibridi elettrici. Con l’aumento costante dell’uso di dispositivi elettronici e l’incremento costante della quota di mercato dei veicoli elettrici, l’uso delle batterie è destinato a crescere inevitabilmente.
Le batterie hanno una vita utile limitata. Quando non sono più adatte all’impiego originario, vanno valutate per il riutilizzo o conferite a sistemi appropriati di raccolta e riciclo. La gestione delle celle esauste è quindi una sfida crescente in un mondo elettrificato.
Vita utile delle batterie: una breve panoramica
Le batterie possono differire per capacità, luogo di utilizzo e materiale di cui sono composte. Ogni fattore influisce sulla durata di una batteria. La categoria di batterie più popolare è il litio‑ion. E i veicoli elettrici sono la categoria di utilizzo che impiega queste batterie su larga scala.
Le batterie dei veicoli elettrici appartengono alla stessa ampia famiglia di molte batterie per telefoni e computer, ma hanno strutture e sistemi di gestione diversi. Offrono elevata energia rispetto a peso e volume, buona efficienza e bassa autoscarica. La gestione termica è importante: le alte temperature non sono generalmente favorevoli e possono accelerare il degrado.
A seconda del progetto, un pacco per veicoli elettrici può contenere centinaia o migliaia di celle; non tutti ne hanno più di 2.000. Nel 2022 National Grid indicava una durata prevista di circa 100.000–200.000 miglia, ossia 160.000–320.000 chilometri, e di 15–20 anni nel veicolo. Sono stime, non garanzie per ogni batteria: la durata effettiva dipende da chimica, temperatura e impiego.
I rischi della gestione delle celle esauste
Secondo l’EPA statunitense, la maggior parte delle batterie agli ioni di litio scartate può rientrare nelle definizioni di rifiuto pericoloso infiammabile e reattivo previste dal RCRA. Per i rifiuti domestici esiste un’esenzione giuridica, che non elimina il rischio di incendio. Anche le batterie apparentemente scariche possono conservare energia pericolosa. Vanno conferite alla raccolta appropriata, non ai rifiuti domestici o al normale riciclo dei materiali.
Le celle danneggiate possono perdere elettrolita e comportare rischi chimici e d’incendio. Le batterie agli ioni di litio non vanno confuse con quelle contenenti litio metallico. Per gli esemplari danneggiati occorre seguire le indicazioni del produttore e del soggetto che li riceve. Il riciclo recupera inoltre materiali preziosi e limita l’impatto ambientale.
Uno studio del 2013 esaminò 16 batterie per telefoni cellulari con prove standardizzate di lisciviazione e valutazioni del rischio. Rilevò elevate quantità di alluminio, cobalto e rame. Nei campioni agli ioni di litio, la concentrazione di piombo nel liquido di lisciviazione era in media 6,29 mg/L, con deviazione standard 11,1 mg/L, rispetto al limite di 5 mg/L. È un risultato relativo a quei campioni, non una concentrazione generale di tutte le batterie moderne per veicoli elettrici.
Lo studio confrontò anche le concentrazioni totali con i limiti californiani: cobalto in media 163.544 mg/kg (deviazione standard 62.897; limite 8.000), rame 98.694 mg/kg (28.734; limite 2.500) e nichel 9.525 mg/kg (11.438; limite 2.000). I risultati riguardavano i campioni esaminati. Le chimiche variano: per esempio, i catodi al litio-ferro-fosfato non contengono cobalto o nichel.
Lo studio rilevò inoltre superamenti dei limiti californiani di lisciviazione per cromo, piombo e tallio in alcuni campioni. Questi risultati indicano rischi potenziali per salute e ambiente. Il recupero dei materiali riduce anche la perdita di risorse e la necessità di nuova estrazione.
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Come vengono riciclate le celle esauste?
Una gestione impropria delle celle esauste può provocare cortocircuiti, incendi e gas tossici. Il riciclo richiede quindi attrezzature adeguate e processi controllati.
Un riciclo efficiente può limitare l’inquinamento e creare una fonte secondaria di materiali critici. Nel novembre 2023 i ricercatori dell’Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell’Energia statunitense presentarono un metodo di laboratorio per le batterie agli ioni di litio.
Il metodo di laboratorio utilizza acido citrico disciolto in glicole etilenico per lisciviare e separare metalli dal materiale catodico usato. L’acido citrico è presente negli agrumi, mentre il glicole etilenico è nocivo per la salute. Si tratta di un processo chimico controllato, non di istruzioni per immergere pacchi batteria interi a casa. Durante la scarica, il catodo è l’elettrodo positivo.
ORNL descriveva il catodo come una componente costosa che, nel contesto considerato, poteva rappresentare oltre il 30% del costo della batteria. Nell’esperimento furono lisciviati quasi tutto il cobalto e il litio senza introdurre impurità; successivamente fu recuperato oltre il 96% del cobalto in poche ore, senza aggiungere sostanze per regolare manualmente l’acidità. Lisciviazione e recupero sono risultati distinti, non un tasso commerciale di riciclo di interi pacchi batteria.
Secondo Lu Yu, il ricercatore principale del progetto:
“Questa è la prima volta che un unico sistema di soluzione copre le funzioni sia di lisciviazione che di recupero.”
Metodi simili richiedono ulteriori sviluppi per l’impiego industriale. Diverse aziende lavoravano però già nel 2023 al riciclo delle batterie agli ioni di litio esauste. I seguenti sono esempi storici.
1. American Battery Technology Company
American Battery Technology Company (ABAT ) ha sviluppato un processo di riciclo a ciclo chiuso per separare e recuperare i materiali critici dalle batterie che si avvicinano alla fine della loro vita utile. Tuttavia, i loro sforzi non si fermano alla separazione e al recupero.
ABTC descrive un processo che purifica i metalli fino alla qualità richiesta dalle batterie. Secondo l’azienda, il progetto mira a evitare la fusione ad alta temperatura, limitare emissioni e rifiuti e contenere il capitale necessario. Sono descrizioni aziendali dei vantaggi della tecnologia, non prove di un impatto ambientale nullo dell’intera attività. La capacità viene dimensionata rispetto ai rifiuti disponibili.
ABAT Grafico dei prezzi
Il rapporto del primo trimestre dell’esercizio 2024, pubblicato il 15 novembre 2023 e relativo al periodo concluso il 30 settembre 2023, descriveva l’avvio del primo impianto commerciale di riciclo di ABTC. La capacità nominale era di 20.000 tonnellate annue a pieno regime, non un volume annuale già raggiunto.
ABTC aveva allora sottoscritto quattro progetti sostenuti dal DOE, due precedenti e due nuovi, per circa 70 milioni di dollari di fondi federali contrattualizzati. Le sovvenzioni rimborsavano costi ammissibili e non erano un pagamento unico incondizionato. Le negoziazioni sul Nasdaq iniziarono il 21 settembre 2023.
L’articolo originale del 2023 indicava un prezzo di 3,99 dollari statunitensi e una capitalizzazione superiore a 188 milioni. Sono valori storici; i moduli interattivi possono mostrare quotazioni successive.
2. Lithion Technologies
Lithion Technologies produce materiali strategici dalle batterie agli ioni di litio. L’azienda dichiarava di poter recuperare fino al 95% dei componenti.
Lithion combina la produzione meccanica di un concentrato di materiali critici con il trattamento idrometallurgico. Nella descrizione del processo ha indicato un recupero del concentrato minerale superiore al 98%. Fasi e materiali hanno rese diverse. I materiali interessati comprendono litio, cobalto, nichel, grafite e manganese; non diventano tutti lo stesso prodotto finale.
Nel quadro della collaborazione con GM del 2022, Lithion indicò che un’analisi del ciclo di vita, usando l’elettricità del Québec, mostrava oltre il 75% in meno di emissioni di gas serra e oltre il 90% in meno di consumo idrico rispetto all’estrazione mineraria dei materiali per batterie. Sono dati specifici del processo e del confronto aziendale, non una garanzia per ogni riciclo.
Ad aprile 2022, Lithion ha ricevuto 22,5 milioni di dollari canadesi dal governo del Québec: 15 milioni come investimento nel capitale tramite Investissement Québec e 7,5 milioni come sovvenzioni del Fonds d’électrification et de changements climatiques.
3. Ecobat
L’articolo originale descriveva la rete storica di Ecobat con 65.000 punti di raccolta, circa 15.000 clienti o membri e 120 milioni di batterie riciclate ogni anno. I numeri riguardavano l’ampia attività aziendale, soprattutto le batterie al piombo, non soltanto gli ioni di litio o un risultato attuale verificato.
L’articolo citava inoltre 100 veicoli di raccolta e 11 fonderie. Sono dati storici e non significano che tutti gli impianti trattassero batterie agli ioni di litio. Il dato di riciclabilità vicino al 99% riguardava i materiali delle batterie al piombo. Ecobat indicava che oltre l’80% del piombo recuperato tornava alla produzione di batterie; non è un tasso generale di recupero degli ioni di litio.
Ecobat si descriveva come un importante operatore mondiale del riciclo. Secondo i dati dell’azienda, nel 2021 l’attività relativa al piombo riciclò 70 milioni di batterie per auto.
4. Cirba Solutions
Cirba Solutions riuniva Battery Solutions, Heritage Battery Recycling e Retriev Technologies, indicando circa 60 anni complessivi di esperienza. Le attività comprendevano raccolta, logistica, recupero dei materiali e trattamento delle batterie al litio.
L’azienda tratta diverse chimiche, con e senza cobalto. L’articolo originale indicava un totale cumulativo superiore a 36 milioni di libbre di batterie agli ioni di litio nell’arco di oltre 30 anni. È un dato storico cumulativo, non un volume annuo o un totale attuale verificato.
Il 9 febbraio 2023 Marubeni effettuò un investimento di minoranza in Cirba pari a 50 milioni di dollari statunitensi. Era uno specifico investimento del 2023, non necessariamente l’ultimo round di finanziamento dell’azienda.
Celle esauste: le esigenze future
La crescita dei veicoli elettrici e dell’elettronica aumenta il fabbisogno di riciclo. Una vecchia previsione citata nell’articolo stimava una crescita quasi settupla della domanda di batterie agli ioni di litio dal 2022 al 2030, fino a 4,7 TWh nel 2030. È una previsione, non domanda già misurata.
L’articolo descriveva la Cina come detentrice di oltre tre quarti della capacità produttiva mondiale in quel periodo, mentre Nord America ed Europa pianificavano espansioni. È un quadro storico. Servono sforzi coordinati per rendere il riciclo accessibile e sostenibile e ridurre inquinamento e perdita di risorse.
Nel 2023 la Cina prevedeva responsabilità dei produttori per la gestione delle batterie dei veicoli a fine vita. Anche l’UE aveva requisiti per raccolta e recupero. Gli obblighi applicabili dipendono dal luogo e dal periodo.
Il riutilizzo può offrire alle batterie adatte una seconda fase d’impiego prima del riciclo dei materiali. Un esempio è l’accumulo della Johan Cruijff ArenA di Amsterdam, entrato in servizio nel 2018. Combina l’equivalente di 148 batterie Nissan LEAF nuove e usate e 4.200 pannelli solari. La potenza è di 3 megawatt e la capacità energetica di 2,8 megawattora; il megawatt non misura l’energia immagazzinata. Il paragone con la ricarica di mezzo milione di iPhone dipende dalla capacità delle loro batterie e non garantisce una durata specifica dell’alimentazione di riserva.
Una gestione sostenibile delle batterie a fine vita richiede collaborazione tra produttori di veicoli, aziende elettroniche, riciclatori e autorità pubbliche. Raccolta, valutazione per il riutilizzo e recupero efficiente dei materiali sono fasi diverse dello stesso ciclo.
