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• batterie agli ioni di litio
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• lithium-ion battery
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• recupero di materiale catodico
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L’attività sperimentale su cui è basato questo lavoro di tesi è stata rivolta al recupero di materiale catodico da batterie litio-ione NMC/grafite. Lo studio si è incentrato su due processi in particolare: idrometallurgico e riciclo diretto. Il processo idrometallurgico è stato applicato al materiale attivo di una batteria vergine, mentre il processo di riciclo diretto è stato applicato al materiale catodico di una batteria ciclata.
Il processo idrometallurgico consta di varie fasi: dapprima l’intera cella – composta dal comparto anodico e dal comparto catodico – è stata sottoposta ad un pretrattamento termico a 350°C per la rimozione del legante, seguita da una fase di agitazione in acqua, con separazione dei collettori di rame e alluminio. Successivamente, i metalli presenti nella polvere ottenuta sono stati disciolti mediante una fase di lisciviazione acida nella quale è stato utilizzato acido solforico e perossido di idrogeno come agente riducente. La lisciviazione è stata condotta ad una temperatura di 40°C, per un tempo di 1 ora e con una velocità di agitazione pari a 300 rpm. La soluzione lisciviata è stata, poi, introdotta ad una fase di coprecipitazione chimica dove l’obiettivo è la precipitazione dell’idrossido ternario precursore dell’NMC532. Pertanto, la soluzione è stata inserita in un sistema di reazione nel quale sono stati aggiunti idrossido di sodio – per la regolazione del pH – e ammoniaca come agente chelante – necessaria ad evitare la precipitazione degli idrossidi dei singoli metalli. La fase di coprecipitazione è stata condotta ad una temperatura di 60°C per un tempo di 24 ore e con una velocità di agitazione pari a 300 rpm in atmosfera inerte. L’idrossido precipitato è stato, poi, caratterizzato per verificare se la chimica e la morfologia del materiale fossero quelle desiderate. Infine, è stata condotta una fase di sinterizzazione allo stato solido, nella quale l’idrossido ternario è stato miscelato con carbonato di litio e sottoposto ad un programma termico, fino ad una temperatura di 900°C. Anche il materiale sinterizzato è stato caratterizzato per verificare che la chimica fosse NMC532 e che la morfologia delle particelle fosse riconducibile a quella del materiale catodico fresco. Inoltre, dalla soluzione filtrata a seguito della fase di coprecipitazione è stato effettuato il recupero del litio mediante precipitazione come fosfato di litio impiegando una soluzione satura di fosfato di sodio. La prova è stata condotta ad una temperatura di 80°C, per un tempo di 2 ore e con una velocità di agitazione pari a 300 rpm. In una prima fase, il lavoro si è incentrato su una soluzione simulata per studiare l’effetto delle condizioni operative sulla resa di reazione. Il fosfato di litio ottenuto è stato poi caratterizzato per valutarne la purezza.
Il processo di riciclo diretto è caratterizzato da due fasi: un processo di pretrattamento e una fase di rilitiazione. Il primo è stato applicato sul solo foglio catodico della batteria ciclata, utilizzando come solvente il trietilfosfato, in rapporto solido/liquido in peso pari ad 1/20. Inoltre, tale processo è stato condotto ad una temperatura di 120°C, per un tempo di 2 ore e con una velocità di agitazione di 300 rpm. Il materiale attivo recuperato è stato poi miscelato con una opportuna quantità di carbonato di litio al fine di reintegrare il litio perso a causa dell’invecchiamento cui la cella è stata sottoposta. Inoltre, l’obiettivo della rilitiazione è la riparazione del reticolo cristallino del materiale catodico, mediante un processo di sinterizzazione allo stato solido, prima del quale è fondamentale quantificare la perdita di litio nel materiale per ripristinarne la stechiometria. La rigenerazione avviene trattando la miscela con un preciso programma termico, fino ad una temperatura di 800°C. Sono stati studiati tre diversi eccessi di carbonato di litio (10%, 20% e 30%) e i materiali ottenuti sono stati caratterizzati al fine di studiare la morfologia delle particelle e verificare l’effettivo reintegro del litio.