Riciclaggio delle batterie agli ioni di litio La produzione e il riciclaggio delle batterie potrebbero diventare più ecologici grazie a questa “colla”

Un legante privo di fluoro e trattabile in acqua potrebbe semplificare la produzione e il riciclaggio delle batterie agli ioni di litio. Sviluppato presso l’Università della California di San Diego, consente ai rivestimenti degli elettrodi di separarsi dalle lamine metalliche in acqua, mentre i test di laboratorio hanno dimostrato prestazioni iniziali delle batterie paragonabili e una migliore ritenzione della capacità.

Un nuovo legante per batterie — la sostanza che tiene insieme le parti interne di una batteria — potrebbe rendere le batterie agli ioni di litio più ecologiche e più facili da riciclare senza comprometterne le prestazioni. Creando un legante privo di fluoro e solubile in acqua, gli ingegneri dell’Università della California di San Diego hanno dimostrato di poter semplificare sia la produzione che il riciclaggio delle batterie, riducendo l’uso di sostanze tossiche, il consumo energetico e la produzione di rifiuti. Le batterie realizzate con il nuovo legante hanno dimostrato prestazioni pari a quelle delle batterie agli ioni di litio convenzionali.

Il legante è il materiale simile alla colla che viene miscelato con le polveri degli elettrodi per formare strati solidi, che vengono poi fissati a sottili fogli metallici all’interno della batteria. Questi strati vengono impilati e arrotolati per creare una batteria. Sebbene il legante rappresenti solo una piccola parte del peso della batteria, ha un grande impatto sul processo di produzione e riciclaggio della stessa.

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Le batterie agli ioni di litio utilizzano in genere un legante contenente fluoro, poiché questo permette di ottenere elettrodi uniformi e altamente adesivi che rimangono stabili nel corso di numerosi cicli di carica e scarica. Ciò consente alle batterie di offrire prestazioni migliori e una maggiore durata.

“Ma proprio questa stabilità rende anche molto più difficile il riciclaggio delle batterie”, ha affermato Chen, il cui Laboratorio per i materiali sostenibili e l’energia dell’Università della California di San Diego è specializzato nello sviluppo di metodi efficienti ed ecocompatibili per il recupero e il riciclaggio dei materiali provenienti dalle batterie agli ioni di litio esaurite.

Il problema del fluoro nei leganti

Un legante contenente fluoro deve essere sciolto in un solvente tossico prima di poter essere miscelato con le polveri degli elettrodi. Dopo il rivestimento degli elettrodi, si utilizzano grandi forni di essiccazione per far evaporare il solvente. Sono quindi necessarie ulteriori fasi per recuperare e purificare il solvente in modo che possa essere riutilizzato. «Queste fasi aggiuntive aumentano in modo significativo i costi e il consumo energetico — nonché l’impatto ambientale — della produzione delle batterie», ha affermato il primo autore dello studio, Jiao Lin, ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Chen.

Anche i leganti contenenti fluoro complicano il processo di riciclaggio delle batterie. Questi leganti lasciano residui difficili da rimuovere, che richiedono temperature elevate o sostanze chimiche corrosive per essere eliminati. Ciò, a sua volta, genera rifiuti pericolosi, oltre a sottoprodotti contenenti fluoro che contaminano i materiali recuperati dalle batterie e ne rendono più difficile il riutilizzo in nuove batterie.

Basta con il fluoro e i solventi tossici

Per risolvere entrambi i problemi, il team di Chen ha creato un legante privo di fluoro che può essere lavorato utilizzando un solvente non tossico: l’acqua. Sebbene esistano già altri leganti idrosolubili, questi non possiedono la resistenza e la durata necessarie per le batterie ad alte prestazioni, ha spiegato Chen.

Il nuovo legante è composto da due polimeri economici e ampiamente utilizzati. L’acido poliacrilico favorisce la distribuzione uniforme della miscela durante la produzione e conferisce flessibilità. La carbossimetilcellulosa, invece, un materiale di origine vegetale comunemente utilizzato nei prodotti alimentari e nella carta, garantisce resistenza e adesività.

I polimeri sono stati innanzitutto disciolti in acqua. Successivamente, i ricercatori hanno aggiunto l’acido citrico, l’acido presente in natura negli agrumi, per legare chimicamente tra loro i polimeri. Il risultato è una rete strettamente interconnessa, tenuta insieme da vari tipi di legami chimici che si rafforzano a vicenda. Ciò conferisce a questo legante la resistenza, la flessibilità, la stabilità e l’adesione necessarie per competere con i leganti convenzionali contenenti fluoro.

Produzione e riciclaggio delle batterie con il nuovo legante

Le batterie realizzate con il nuovo legante privo di fluoro hanno offerto le stesse prestazioni iniziali delle batterie agli ioni di litio convenzionali. Hanno persino mantenuto la loro capacità più a lungo dopo centinaia o migliaia di cicli di ricarica. Il legante si è inoltre dimostrato compatibile con diversi tipi di elettrodi, tra cui catodi al litio-ferro-fosfato (LFP), catodi ricchi di nichel, anodi in grafite e anodi in silicio.

Il nuovo legante potrebbe inoltre semplificare il riciclaggio delle batterie. Anziché ricorrere a sostanze chimiche aggressive e alle alte temperature per rimuoverlo, come avviene con i leganti contenenti fluoro, i ricercatori hanno semplicemente smontato la batteria e immerso gli elettrodi in acqua. In questo modo il legante si è dissolto e i rivestimenti degli elettrodi si sono separati in modo pulito dalle lamine metalliche senza lasciare residui. I materiali degli elettrodi recuperati sono stati poi rigenerati mediante processi di riciclaggio diretto e utilizzati per costruire nuove batterie.

Queste batterie riciclate hanno dato risultati altrettanto buoni di quelle realizzate con materiali per elettrodi recuperati da batterie prodotte con leganti convenzionali contenenti fluoro.

I prossimi passi prevedono l'aumento della produzione del legante in vista della produzione commerciale. I ricercatori stanno ora lavorando all'ottimizzazione del legante per diverse composizioni chimiche delle batterie, al fine di migliorarne le prestazioni. Chen e il suo team intendono commercializzare il legante attraverso una collaborazione con partner industriali.

Articolo originale: Un legante polimerico privo di fluoro consente la produzione circolare e il riciclaggio delle batterie agli ioni di litio; Nature Communications; DOI:10.1038/s41467-026-78215-3