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Jun 01, 2023

Una visione fenomenologica e quantitativa sulla degradazione degli elettrodi positivi dal litio esaurito

Scientific Reports volume 13, Articolo numero: 5671 (2023) Cita questo articolo 1084 Accessi 3 Dettagli metriche altmetriche Il presente studio affronta l'osservazione fenomenologica della corrosione di

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 5671 (2023) Citare questo articolo

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Il presente studio si occupa dell'osservazione fenomenologica della corrosione del foglio dell'elettrodo positivo delle batterie agli ioni di litio contenenti LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 (NMC) come materiale catodico. A causa della presenza di umidità, sulla superficie dell'NMC si formano accumuli localizzati di acqua. L'acqua assorbita dall'elettrolita reagisce con l'NMC mediante scambio Li+/H+ e il conseguente aumento del pH porta alla dissoluzione del foglio di supporto e alla caratteristica fioritura salina sulla superficie dell'NMC. Con l'aumento nel tempo dell'area relativa occupata dai fori nel foglio di alluminio, si è trovato un parametro sufficientemente adatto con cui determinare quantitativamente l'entità della corrosione. Il grado di degrado dipende dal tempo e dall'umidità ambientale. È stato dimostrato che il riciclaggio funzionale con il metodo del getto d’acqua non è più applicabile per le lamine degradate, poiché la stabilità meccanica delle lamine diminuisce con il progredire della corrosione. Litio, alluminio, zolfo e ossigeno sono stati rilevati nelle fioriture utilizzando SEM-EDX e spettroscopia di rottura indotta da laser (LIBS). Si è scoperto che lo strato NMC sottostante conteneva principalmente alluminio e un contenuto di litio significativamente inferiore rispetto al materiale non degradato. Analisi al SEM e al microscopio Raman hanno inoltre evidenziato che il materiale attivo è anche localmente degradato e quindi non più idoneo al riciclo funzionale.

Le batterie agli ioni di litio (LIB) sono diventate la tecnologia dominante per l’immagazzinamento di energia elettrica negli ultimi decenni. I campi di applicazione di questa tecnologia includono smartphone, laptop, tablet, strumenti e applicazioni di mobilità come biciclette elettriche o auto elettriche. Le LIB sono prodotte in vari modelli. Sono disponibili come celle cilindriche, prismatiche o cosiddette a tasca. Come materiali catodici vengono utilizzati ad esempio LiCoO2 (LCO), LiMnO2 (LMO), LiNixMnyCozO2 (NMC), LiNixCoyAlzO2 (NCA) o LiFePO4 (LFP). Come materiali anodici vengono utilizzati la grafite e sempre più il silicio o il Li4Ti5O12 (LTO). LiPF6 viene spesso utilizzato come sale conduttore nell'elettrolita organico. Presenta una conduttività ionica molto elevata e porta alla passivazione del collettore di alluminio dell'elettrodo positivo1.

Giunte a fine vita, le batterie agli ioni di litio non rappresentano un rifiuto, ma costituiscono un’importante fonte di materia prima per tutti quegli elementi che servono urgentemente per la produzione di nuove batterie. Su scala industriale si sono sviluppati negli ultimi anni processi basati su fasi di processo pirometallurgiche, termiche e idrometallurgiche, al termine delle quali avviene sempre la separazione chimica del materiale catodico (NMC) costituito da litio, nichel, manganese e cobalto in i sali puri dei singoli elementi. Tuttavia, tali processi richiedono una notevole quantità di energia e reagenti molto diversi2,3,4,5,6,7,8,9,10,11.

Al contrario, la scienza sta emergendo con nuovi approcci notevolmente più efficienti dal punto di vista energetico e delle risorse rispetto ai processi finora utilizzati, che in letteratura vengono definiti riciclaggio diretto11 o riciclaggio funzionale12. Questo metodo mira a recuperare il materiale catodico con il minor utilizzo possibile di reagenti mantenendo in gran parte le sue proprietà morfologiche, fisiche e chimiche, in modo che possa essere riutilizzato direttamente o rigenerato per la produzione di nuove celle di batterie12.

La prima implementazione industriale al mondo del principio del riciclaggio funzionale si trova nella rimozione del rivestimento degli elettrodi positivi mediante un processo a getto d'acqua. In questo processo, il rivestimento costituito da NMC, nerofumo conduttivo e legante viene rimosso delicatamente dal foglio portante in alluminio utilizzando un getto d'acqua ad alta pressione, al quale possono essere eventualmente miscelati diversi additivi. Questa tecnologia relativamente semplice rende questo processo il più efficiente ed ecologico rispetto agli altri processi di riciclaggio industriale conosciuti13. Un vantaggio particolare di questo processo è l'elevata qualità del materiale del riciclato NMC recuperato, in modo che possa essere utilizzato direttamente come additivo al nuovo materiale catodico per la produzione di nuovi elettrodi positivi14.