ETD

• circular economy
• direct recycling
• EU battery regulation
• hydrometallurgy
• LCA
• life cycle assessment
• NMC

Here is the translation of the text into English: The thesis presents an in-depth Life Cycle Assessment (LCA) aimed at evaluating and comparing the environmental impacts of the two dominant energy storage systems in the electric vehicle market: NMC 811 (Nickel-Manganese-Cobalt) and LFP (Lithium-Iron-Phosphate). Building on the premises of the 2020 Ricardo Study, the text highlights how BEVs eliminate tailpipe emissions but shift the environmental burden to the production phase, making the battery the primary environmental hotspot. The objective of the thesis is to analyze the entire life cycle of these technologies, explore End-of-Life (EoL) strategies, and evaluate the real-world feasibility of the targets imposed by the European Battery Regulation (EU 2023/1542).
The study contrasts two highly distinct architectures. On the one hand, NMC 811 batteries offer high specific energy but rely on critical and expensive metals and suffer from structural instability. On the other hand, LFP batteries boast excellent thermal stability and a long cycle life. Furthermore, they have recently overcome energy density limitations thanks to the Cell-To-Pack (CTP) architecture, which eliminates intermediate modules. For the end-of-life phase, the study analyzes hydrometallurgy, which chemically dissolves the metals (advantageous for NMC), and direct recycling, which repairs the cathode powder without destroying it (ideal for LFP).
The analysis raises an important regulatory paradox linked to the EU Regulation, which imposes strict recycled content targets for cobalt, lithium, and nickel. By setting mass-based recovery targets, the regulation favors hydrometallurgical processes (which isolate pure salts), indirectly penalizing direct recycling.
Methodologically, the LCA follows the guidelines of the Joint Research Centre (JRC CFB-EV 2024), adopting the Circular Footprint Formula (CFF) to correctly allocate environmental burdens and credits, and excluding the use phase from the system boundaries. The Functional Unit (FU) is defined as 1 kWh of total energy delivered by the battery over its useful life. Using SimaPro (with the Ecoinvent database) and BatPaC software, two 77 kWh battery packs were modeled: an NMC 811 system (associated with a Tesla Model 3, capable of delivering 22 MWh over its useful life) and an LFP CTP system (associated with a BYD Seal, capable of delivering 39 MWh).
The results of the production phase reveal that the environmental hotspot for NMC 811 chemistry is the synthesis of the cathode active material, accounting alone for nearly 40% of the emissions related to the climate change indicator. In contrast, the LFP battery shows a much more balanced distribution of impacts and an overall lower ecological burden. The advantage of LFP technology is amplified thanks to the chosen Functional Unit: being able to deliver 39 MWh during its useful life compared to NMC's 22 MWh, the production impact of LFP is amortized over a much broader service life, although LFP remains ecologically superior even when calculating the impact per kWh of nominal capacity.
In end-of-life management, hydrometallurgical recycling for NMC 811 offsets approximately 15% of production impacts thanks to the recovery of precious metals. For LFP chemistry, direct recycling confirms itself as the most sustainable option, doubling the environmental credits compared to traditional hydrometallurgy.
Projecting the data to 2036, the study identifies a circularity paradox. Extending the useful life of batteries (for example to 15 years rather than 10) enormously reduces the overall environmental impact but delays the return of materials to the recycling loop. Consequently, this will generate a structural deficit of secondary raw materials (particularly cobalt) that will make the strict recycled content targets imposed by the European Union unattainable. Finally, a simulation of complete decarbonization of energy mixes shows potential production emission reductions of 67.5% for NMC and 74.3% for LFP, highlighting that the benefits are massive but unable to zero out the carbon footprint due to the "hard-to-abate" emissions from upstream processes.
The thesis document concludes that LFP technology, combined with the CTP architecture and direct recycling, currently represents the most sustainable solution. However, European regulations risk conflicting with the actual longevity of batteries and with scrap optimization. Future research will need to include new chemistries (such as solid-state batteries or those with silicon anodes) to ensure that regulations drive effective sustainability.

La tesi presenta un'approfondita Analisi del Ciclo di Vita (LCA) volta a valutare e confrontare gli impatti ambientali dei due sistemi di accumulo dominanti nel mercato dei veicoli elettrici: NMC 811 (Nichel-Manganese-Cobalto) e LFP (Litio-Ferro-Fosfato). Basandosi sulle premesse dello Studio Ricardo del 2020, il testo evidenzia come i BEV azzerino le emissioni allo scarico, ma spostino l'onere ambientale sulla fase di produzione, rendendo la batteria il principale hotspot ambientale. L'obiettivo della tesi è analizzare l'intero ciclo di vita di queste tecnologie, esplorare le strategie di fine vita (End-of-Life) e valutare la reale fattibilità dei target imposti dal Regolamento Europeo sulle Batterie (UE 2023/1542).
Lo studio contrappone due architetture ben distinte. Da un lato, le batterie NMC 811 offrono un'elevata energia specifica ma dipendono da metalli critici e costosi e soffrono di instabilità strutturale. Dall'altro, le batterie LFP vantano un'ottima stabilità termica e un lungo ciclo di vita. Inoltre, hanno recentemente superato i limiti di densità energetica grazie all'architettura Cell-To-Pack, che elimina i moduli intermedi. Per la fase di fine vita, lo studio analizza l'idrometallurgia, che dissolve chimicamente i metalli (vantaggiosa per NMC), e il riciclo diretto, che ripara la polvere catodica senza distruggerla (ideale per LFP).
L'analisi solleva un importante paradosso normativo legato al Regolamento UE, il quale impone rigidi target di materiale riciclato per cobalto, litio e nichel. Fissando obiettivi di recupero basati sulla massa, la normativa favorisce i processi idrometallurgici (che isolano i sali puri), penalizzando indirettamente il riciclo diretto.
A livello metodologico, l'LCA segue le direttive del Joint Research Centre (JRC CFB-EV 2024), adottando la Circular Footprint Formula (CFF) per allocare correttamente oneri e crediti ambientali, ed escludendo la fase d'uso dai confini del sistema. L'Unità Funzionale (FU) è definita come 1 kWh di energia totale erogata dalla batteria nell'arco della sua vita utile. Utilizzando i software SimaPro (con database Ecoinvent) e BatPaC, sono stati modellati due pacchi batteria da 77 kWh: un sistema NMC 811 (associato a una Tesla Model 3, capace di erogare 22 MWh nel corso della vita utile) e un sistema LFP CTP (associato a una BYD Seal, capace di erogare 39 MWh).
I risultati della fase di produzione rivelano che l'hotspot ambientale per la chimica NMC 811 è la sintesi del materiale attivo catodico, responsabile da sola di quasi il 40% delle emissioni relative all'indicatore di cambiamento climatico. Al contrario, la batteria LFP mostra una distribuzione degli impatti molto più bilanciata e un onere ecologico complessivamente inferiore. Il vantaggio della tecnologia LFP si amplifica grazie all'Unità Funzionale scelta: potendo erogare 39 MWh durante la sua vita utile contro i 22 MWh della NMC, l'impatto di produzione della LFP si ammortizza su un servizio molto più ampio, sebbene l'LFP risulti ecologicamente vincente anche calcolando l'impatto per kWh di capacità nominale.
Nella gestione del fine vita, il riciclo idrometallurgico per la NMC 811 permette di compensare circa il 15% degli impatti di produzione grazie al recupero di metalli preziosi. Per la chimica LFP, il riciclo diretto si conferma l'opzione più sostenibile, raddoppiando i crediti ambientali rispetto all'idrometallurgia tradizionale.
Proiettando i dati al 2036, lo studio identifica un paradosso della circolarità. Prolungare la vita utile delle batterie (ad esempio a 15 anni rispetto che 10) riduce enormemente l'impatto ambientale globale, ma ritarda il ritorno dei materiali nella filiera del riciclo. Di conseguenza, si genererà un deficit strutturale di materie prime seconde (in particolare di cobalto) che renderà inattuabili gli stringenti target di contenuto riciclato imposti dall'Unione Europea. Infine, una simulazione di completa decarbonizzazione dei mix energetici mostra potenziali riduzioni delle emissioni di produzione del 67,5% per NMC e del 74,3% per LFP, sottolineando che i benefici sono massicci ma non in grado di azzerare l'impronta carbonica a causa delle emissioni "hard-to-abate" dei processi a monte.
Il documento di tesi conclude che la tecnologia LFP, abbinata all'architettura CTP e al riciclo diretto, rappresenta oggi la soluzione più sostenibile. Tuttavia, le normative europee rischiano di entrare in conflitto con la reale longevità delle batterie e con l'ottimizzazione degli scarti. La ricerca futura dovrà includere nuove chimiche (come le batterie allo stato solido o con anodi in silicio) per garantire che le normative guidino un'effettiva sostenibilità.