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Le batterie agli ioni di litio (LIBs) rappresentano uno dei principali protagonisti della transizione energetica globale in quanto, la loro diffusione capillare costituisce un elemento cruciale per decarbonizzare il settore dei trasporti e supportare l'integrazione delle fonti energetiche rinnovabili nella rete elettrica. Dai veicoli elettrici ai sistemi di accumulo di energia, le LIBs offrono prestazioni elevate e una versatilità che le rende essenziali per affrontare le sfide energetiche e climatiche del XXI secolo.
Tuttavia, la rapida espansione dell'uso di queste batterie comporta un aumento significativo della richiesta sul mercato dei materiali chiave per realizzarle, tra cui litio. La crescente necessità di questi materiali solleva notevoli preoccupazioni sulla loro sicurezza di approvvigionamento, e la rapida crescita nell'impiego di batterie implica anche un aumento degli scarti di produzione generati durante i processi di fabbricazione e delle batterie che raggiungono il fine vita. La gestione di tali rifiuti risulta molto delicata in quanto, contenendo alcuni composti tossici, uno smaltimento improprio può comportare rischi ambientali.
Il riciclo delle batterie agli ioni di litio si configura perciò come una soluzione indispensabile nell’immediato futuro, consentendo di minimizzare gli impatti ambientali attraverso un approccio circolare, evitando il conferimento in discarica delle batterie a fine vita e riducendo le operazioni di estrazione mineraria e raffinazione, con annesse emissioni, oltre a consentire il recupero dei materiali critici da questi rifiuti, alleviando così la pressione sulla loro fornitura primaria. In tal senso, l’Unione Europea ha emanato il 12 Luglio 2023 un nuovo regolamento europeo sulle batterie, Regolamento (UE) 2023/1542, che si pone come modello pionieristico per garantire una transizione verso un'economia circolare nel settore delle batterie. Esso stabilisce la quota minima di materiali riciclati che deve essere contenuta nelle batterie per veicoli elettrici affinché possano essere vendute nell'Unione Europea a partire dal 2031, impone efficienze minime di riciclo (ovvero quante batterie, in termini di massa, vengono riciclate come percentuale del totale che raggiunge il fine vita) da raggiungere entro la fine del 2025 (65%) ed entro la fine del 2030 (70%). Inoltre, viene anche specificata l'efficienza minima di recupero dei materiali (ovvero la percentuale in peso di materiali recuperati da una batteria durante il riciclo). Di conseguenza, l’urgenza dettata dalla rapida diffusione delle LIBs e dagli imminenti vincoli normativi, ha spinto molte aziende nell’Unione Europea alla ricerca di possibili soluzioni.
Questa tesi è stata svolta in collaborazione con un centro di ricerca con l’obbiettivo di sviluppare ulteriormente un precedente lavoro svolto dal centro in collaborazione con un’azienda che si occupa di design e produzione di batterie al litio ferro fosfato (LFP). A partire da un predefinito processo idrometallurgico per il recupero del litio, volto alla produzione di carbonato di litio (Li2CO3), sono state effettuate varie prove sperimentali di lisciviazione, separazione solido-liquido e precipitazione selettiva per simulare tale processo ed implementarne i risultati su scala di laboratorio sia a partire dal solo materiale catodico che, soprattutto, a partire dalla black mass ottenuti totalmente da batterie LFP esauste fornite da un’azienda che collabora con il centro di ricerca, la quale ha intenzione di realizzare nel proprio sito industriale un proprio impianto di riciclo. Nei primi due capitoli descrivo le caratteristiche delle batterie LFP, analizzo il loro andamento nel mercato globale e lo stato dell’arte dei riguardanti processi di riciclo. Nel terzo capitolo sono riportati i procedimenti ed i risultati delle prove di pretrattamento su scala di laboratorio, alle quali la batteria deve essere soggetta al fine di separare i materiali da utilizzare nelle prove riguardanti l’effettivo recupero del litio. Nel quarto capitolo sono riportate procedure e risultati delle prove di laboratorio mirate alla verifica sperimentale del processo, il quale prevede una lisciviazione con soluzioni di acido solforico e perossido di idrogeno, uno step di precipitazione delle impurezze e la conclusiva precipitazione selettiva del carbonato di litio attraverso l’utilizzo di carbonato di sodio come agente di precipitazione. È stata verificata anche una precipitazione alternativa del litio, sottoforma di fosfato di litio, per effettuare un confronto. Successivamente, ho effettuato nel capitolo finale anche una progettazione a livello prototipale dell’impianto di produzione, realizzando nel dettaglio i bilanci materiali ed il PFD del processo, i dimensionamenti delle varie apparecchiature, ed effettuato una valutazione economica preliminare dei costi operativi, e dei margini di guadagno, ipotizzando vari scenari che tengono conto del prezzo di vendita del prodotto finale e della produzione di eventuali sottoprodotti. Tutto ciò è stato realizzato per un potenziale impianto che prevede una sezione iniziale operante in batch, alla quale alimentare più di 4000 kg al giorno di balck mass, e una sezione che opera in continuo per la produzione di carbonato di litio.