Energia
Affrontare il Dilemma delle Li-ion: Smaltimento delle Celle di Batteria Difettose in un Mondo Sempre più Elettrificato
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È un dato di fatto ben noto che la combustione dei combustibili fossili influisce sul nostro ambiente. Oltre al carbonio, questi combustibili contengono anche idrogeno, azoto e zolfo. Quando bruciati, i combustibili fossili rilasciano una miscela di monossido di carbonio, anidride carbonica e acqua, insieme a ossidi di azoto e zolfo. Queste sostanze, particolarmente velenose ad alte concentrazioni, rappresentano gravi minacce per la salute e la sicurezza. In modo significativo, l’emissione di anidride carbonica è un importante contributore al riscaldamento globale, sottolineando l’impatto ambientale della combustione dei combustibili fossili.
La necessità di allontanarsi dai combustibili fossili ha provocato una domanda di batterie cresciuta esponenzialmente. Riflettendo questa tendenza, i ricercatori prevedono che la dimensione del mercato globale delle batterie crescerà da 112 miliardi di dollari nel 2021 a 424 miliardi di dollari nel 2030. Il mercato comprende diverse categorie di batterie, come litio‑ion, ossido di zinco‑manganese, piombo‑acido, nichel‑metallo idruro, nichel‑cadmio, sodio‑zolfo, nichel‑zinco, piccole batterie sigillate al piombo, batterie a flusso, tra le altre.
Tuttavia, le batterie al litio‑ion e al piombo‑acido costituiscono la quota maggioritaria di questo panorama di mercato delle batterie, lasciando una lunga coda per le altre categorie.
Se osserviamo la dimensione del mercato di 424 miliardi di dollari per il 2023, più di 257 miliardi di dollari, oltre il 60% dell’intero mercato delle batterie, sarà occupato dalle batterie al litio‑ion. Più di 121 miliardi di dollari, il 27% del mercato, sarà occupato dalle batterie al piombo‑acido. Queste due categorie insieme occupano più dell’87% del mercato, lasciando quasi il 13% alle restanti categorie per competere.
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‑acido, d’altra parte, non sono efficienti quanto le batterie al litio‑ion. Hanno una bassa energia specifica, non funzionano bene a basse temperature e hanno un ciclo di vita più breve. Il loro uso diffuso è principalmente dovuto al basso costo. Tuttavia, è in corso lo sviluppo di batterie al piombo‑acido avanzate – al giorno d’oggi – per l’uso in veicoli commerciali elettrici per carichi accessori.
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.
Tuttavia, queste batterie hanno una durata di conservazione limitata e alla fine devono essere smaltite. Questo rappresenta una sfida in un mondo sempre più elettrificato: lo smaltimento delle celle di batteria difettose. Esistono soluzioni, ma prima di approfondirle è fondamentale esaminare più a fondo la causa alla radice.
Durata di Conservazione 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 che i veicoli elettrici utilizzano somigliano a quelle usate nei nostri telefoni cellulari e laptop. Presentano numerosi vantaggi, tra cui alta energia per unità di massa e volume rispetto ad altri sistemi di accumulo di energia elettrica, alto rapporto potenza‑peso, elevata efficienza energetica, prestazioni efficienti ad alte temperature, lunga durata e bassa autoscarica.
Le batterie dei veicoli elettrici sfruttano pacchi composti da più di duemila celle individuali al litio‑ion che lavorano insieme. Ogni pacco batteria è progettato per mantenere la capacità di carica‑scarica per un intervallo compreso tra 100.000 e 200.000 miglia. E, misurata in anni, la maggior parte delle batterie dei veicoli elettrici ha una vita utile di 15 a 20 anni all’interno del veicolo.
I Rischi dello Smaltimento delle Celle di Batteria Difettose
Secondo l’Agenzia per la Protezione Ambientale degli Stati Uniti (EPA), la maggior parte delle batterie al litio‑ion rientrerebbe nella categoria dei rifiuti pericolosi ai sensi del Resource Conservation and Recovery Act (RCRA). Una volta scartate, queste batterie sono spesso infiammabili e reattive. Nonostante sembrino completamente scariche e usa e getta per l’utente, le batterie al litio‑ion conservano spesso cariche significative, rappresentando un pericolo.
Inoltre, le batterie al litio danneggiate e non completamente sigillate possono essere estremamente pericolose se entrano in contatto con l’acqua durante lo smaltimento. L’elevato contenuto metallico nelle batterie al litio‑ion, difficile da eliminare e nocivo per l’ambiente, aumenta la preoccupazione.
Un rapporto di valutazione scientifica ha evidenziato che le batterie al litio‑ion contengono alte concentrazioni di alluminio, cobalto e rame. Studi aggiuntivi rivelano la natura pericolosa delle batterie al litio‑ion difettose a causa del loro contenuto di piombo (media 6,29 mg/L; σ = 11,1; limite 5).
Secondo le normative della California, la presenza di livelli eccessivi di cobalto (media 163.544 mg/kg; σ = 62.897; limite 8.000), rame (media 98.694 mg/kg; σ = 28.734; limite 2.500) e nichel (media 9.525 mg/kg; σ = 11.438; limite 2.000) qualifica tutte le batterie al litio come pericolose.
Le concentrazioni di cromo, piombo e tallio rilasciate da queste batterie superano anche i limiti normativi della California. Oltre a conferire tossicità agli esseri umani e all’ecologia circostante, le batterie al litio‑ion provocano anche l’esaurimento delle risorse, una grave preoccupazione per il nostro futuro.
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Come Riciclare le Celle di Batteria Difettose?
I pericoli derivanti dallo smaltimento delle celle di batteria difettose richiedono il riciclo. Tuttavia, riciclare una batteria difettosa può essere pericoloso. Una gestione impropria delle celle di batteria difettose può provocare cortocircuiti, incendi e il rilascio di gas tossici.
La chiave risiede in metodi di riciclo efficienti, che non solo possono prevenire l’inquinamento ma anche creare opportunità per generare un flusso secondario sostenibile di materiali critici. Uno di questi metodi efficienti per il riciclo delle batterie al litio‑ion è stato ideato da ricercatori del Dipartimento dell’Energia presso l’Oak Ridge National Library.
La soluzione prevede l’immersione della batteria esausta in una soluzione di acido citrico naturalmente presente negli agrumi. La soluzione di acido citrico è disciolta in etilenglicole, e la miscela favorisce un processo di separazione e recupero altamente efficiente per separare i metalli dal catodo, l’elettrodo positivo della batteria.
Un processo di recupero efficiente per il catodo significa costi ridotti delle batterie, poiché il catodo contribuisce a più del 30% del costo della batteria, grazie al possesso di materiali critici. Il metodo di riciclo può estrarre quasi tutto il cobalto e il litio dal catodo senza inquinare il sistema. Può recuperare più del 96% del cobalto in poche ore. Non è necessario aggiungere ulteriori sostanze chimiche per bilanciare manualmente i livelli di acido.
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.”
Oltre a questi sforzi di ricerca in laboratorio, che saranno scalati alla produzione in futuro, diverse aziende hanno già assunto il compito di riciclare le batterie al litio‑ion difettose e smaltite. Daremo un’occhiata ad alcune di esse nei segmenti seguenti.
1. American Battery Technology Company
The American Battery Technology Company (ABAT ) ha ideato unprocesso 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.
Il processo prevede la purificazione di questi metalli delle batterie secondo le stesse o superiori specifiche di qualità. Secondo l’azienda, il suo sistema vanta molteplici vantaggi competitivi. Il suo design strategico garantisce operazioni a zero temperature elevate e previene le emissioni di inquinanti atmosferici e liquidi. Inoltre, gli impianti di riciclo corrispondono al throughput degli impianti di produzione, generando scarti minimi e richiedendo bassi costi di capitale per l’installazione.
ABAT Grafico dei prezzi
Il rapporto finanziario del primo trimestre del 2024, pubblicato dall’azienda, ha elencato i suoi principali traguardi verso operazioni generatrici di ricavi. In particolare, l’azienda ha progettato, messo in servizio e avviato le operazioni del suo primo impianto di riciclo su scala commerciale, vantando una capacità nominale di 20.000 tonnellate metriche all’anno.
L’azienda ha inoltre ottenuto due sovvenzioni del DOE statunitense in base a contratti e recentemente è diventata idonea per altre due sovvenzioni, per un totale di 70 milioni di dollari federali contrattati. Ha quotato con successo le proprie azioni e ha iniziato a negoziare sul Nasdaq il 21 settembre 2023.
Al momento della stesura, il prezzo delle azioni di American Battery Technology Company era di $3,99 e la capitalizzazione di mercato superava i $188 milioni.
2. Lithion Technologies
Lithion Technologies sustainably produce materiali strategici from Li-ion batteries. Its technology is capable of recovering up to 95% of the components of these batteries.
Nell’estrazione meccanica, Lithion può recuperare più del 98% del concentrato minerale. Il concentrato di minerali critici viene poi trattato attraverso la sua tecnologia brevettata di idrometallurgia. Questo processo consente il recupero di materiali essenziali come litio, cobalto, nichel, grafite e manganese.
In modo notevole, Lithion afferma che le sue tecnologie comportano un impatto ambientale significativamente inferiore rispetto all’estrazione mineraria tradizionale. Le loro emissioni di gas serra sono inferiori del 75% rispetto a quelle dell’estrazione mineraria e riducono ulteriormente l’uso di acqua di un impressionante 90%.
Ad aprile 2022, Lithion ha ricevuto 22,5 milioni di dollari in finanziamenti dal governo del Quebec, includendo un investimento azionario di 15 milioni nella capitale dell’azienda tramite Investissement Québec e 7,5 milioni di dollari in sovvenzioni dal Fonds d’électrification et de changements climatiques.
3. Ecobat
Ecobat operates through an extensive network of 65.000 punti di raccolta to manage end-of-life batteries as part of its recycling energy storage solutions. It has garnered nearly 15,000 members or customers so far, recycling 120 million batteries per year.
Per la raccolta dai punti designati, Ecobat dispone della propria flotta di 100 veicoli. Con 11 impianti di fusione, gestisce batterie al litio, al piombo e altre chimiche di batterie. Ecobat ha anche un processo di recupero circolare a ciclo chiuso, dove l’80% del recupero ritorna alla produzione di batterie. Promette inoltre una percentuale di riciclabilità del 99%.
Ecobat afferma di essere il più grande ‘riciclatore’ di batterie al mondo che soddisfa le esigenze essenziali di stoccaggio energetico rendendo il business delle batterie più sicuro e più sostenibile per un’economia energetica circolare. Nel 2021, l’attività di riciclo di batterie al piombo di Ecobat ha riciclato 70 milioni di batterie per auto fully.
4. Cirba Solutions
Cirba Solutions vanta 60 anni combinati di esperienza nel riciclo con tre marchi – Battery Solutions, Heritage Battery Recycling e Retriev Technologies – sotto la sua gestione. È uno dei pionieri nel riciclo delle batterie al litio con il proprio team di riciclo, logistica incentrata sulle batterie, ciclo di vita a ciclo chiuso e impianti di lavorazione del litio.
L’azienda dispone di un processo di riciclo specializzato che coinvolge soluzioni cross-chimica per costituenti sia a base di cobalto sia non a base di cobalto. Fino ad oggi, ha lavorato più di 36 milioni di libbre di litio‑ion per oltre 30 anni.
Secondo gli ultimi dati disponibili, Cirba ha raccolto 50 milioni di dollari nel suo ultimo round aziendale il 9 febbraio 2023.
Smaltimento delle Celle di Batteria Difettose: Le Prospettive Future
La presenza di batterie al litio‑ion, essenziali per alimentare i veicoli elettrici e l’elettronica di consumo moderna, diventerà sempre più onnipresente. Statisticamente, tra il 2022 e il 2030, la domanda globale di batterie al litio‑ion aumenterà quasi sette volte, raggiungendo 4,7 TWh nel 2030.
Dal punto di vista della produzione, la Cina detiene più di tre quarti della capacità mondiale. Nord America ed Europa non rimarranno indietro a lungo, poiché anch’essi stanno puntando a un significativo aumento della produzione. Per questo motivo saranno necessari sforzi globali consolidati e ben coordinati per garantire che il riciclo delle batterie diventi un processo accessibile e sostenibile, e solo allora potremo salvare il mondo dai rischi di inquinamento e esaurimento delle risorse.
La Cina, ad esempio, ritiene i produttori di auto responsabili del “trattamento di fine vita” delle batterie dei veicoli. L’Unione Europea non è molto indietro, poiché ha stabilito standard per la raccolta e il recupero delle batterie.
Sempre più innovazioni nelle applicazioni di seconda vita di queste batterie aiuteranno a evitare i pericoli imminenti del riciclo inefficiente. Concludiamo guardando a un esempio di questo tipo. Un sistema di accumulo energetico presso la Johan Cruijff Arena di Amsterdam utilizza l’equivalente di 148 batterie Nissan LEAF nuove e usate per catturare energia da 4.200 pannelli solari e immagazzinare fino a 3 megawatt di potenza. Questa cattura è sufficiente per caricare mezzo milione di iPhone di riserva.
In conclusione, raggiungere gli obiettivi su scala globale richiede la partecipazione attiva di tutti. Le aziende automobilistiche, i produttori di elettronica di consumo, gli organismi economici globali, i consigli delle nazioni – tutti dovranno dare la loro voce al riciclo sostenibile ed efficiente e al recupero delle celle di batteria difettose.
