Toshiba Corporation ha sviluppato un metodo per riciclare gli anodi di ossido delle batterie agli ioni di litio a basso costo e con un basso impatto ambientale. Il regolamento UE sulle batterie, entrato in vigore nell'agosto 2023, impone la dichiarazione delle impronte di carbonio (CFP) e alti livelli di considerazione ambientale durante tutto il ciclo di vita del prodotto, rendendo necessaria una risposta rapida da parte delle aziende di tutto il mondo. Toshiba ha sviluppato un metodo di riciclaggio diretto che consente il riciclaggio di batterie agli ioni di litio ad alta potenza e lunga durata con anodo di ossido tramite un semplice processo di trattamento termico e ha dimostrato l'efficacia di questo metodo.
Il metodo sfrutta le caratteristiche dei materiali attivi ossido con strutture cristalline stabili e utilizza il riciclo diretto, che ricicla i materiali attivi così come sono e senza trasformarli in elementi chimici. Il materiale attivo è rivestito su un sottile foglio di metallo chiamato foglio di raccolta corrente. Questo metodo di riciclo sfrutta la stabilità della struttura del materiale attivo e consente di separare il materiale attivo dal foglio di raccolta corrente dell'elettrodo negativo in quello stato eseguendo un semplice trattamento termico.
Poiché la struttura del materiale attivo è stabile, non sono necessari complessi processi di riattivazione, consentendo così il riutilizzo dei materiali attivi a basso costo. Inoltre, rispetto ai metodi convenzionali di riciclaggio degli elettrodi, il metodo può essere eseguito a temperature più basse, riducendo così l'impatto ambientale. Confrontando i materiali riciclati utilizzando questo metodo con materiali vergini che non sono mai stati utilizzati, Toshiba stima fino all'85% di riduzione dell'impronta di carbonio (CFP).
Inoltre, Toshiba ha applicato questo metodo alle batterie anodiche in ossido di titanio e niobio (NTO) sviluppate dall'azienda. Le valutazioni delle prestazioni delle batterie realizzate con elettrodi riciclati hanno confermato che gli elettrodi mantengono più del 97% della capacità, paragonabile a quella degli elettrodi nuovi. Le batterie hanno anche mostrato la stessa lunga durata delle batterie nuove.
Questi risultati sono stati pubblicati sulla rivista Materiali e tecnologie sostenibili.
Sfondo. Il riciclaggio dei materiali catodici contenenti cobalto e nichel ha fatto progressi grazie alla crescente domanda, ma il riciclaggio della grafite, un comune materiale dell'anodo delle batterie agli ioni di litio, non ha registrato progressi a causa della complessità dei processi richiesti per il riciclaggio, che derivano da cambiamenti strutturali e degradazione dopo un utilizzo a lungo termine, presentando notevoli sfide in termini di costi.
Tuttavia, come i catodi, gli anodi hanno un CFP definito e c'è la necessità di ridurlo tramite il riciclaggio, dando origine a una richiesta per lo sviluppo di un metodo di riciclaggio più semplice. Toshiba ha sviluppato batterie con anodi di ossido che sono adatte ai veicoli commerciali che si prevede saranno elettrificati in futuro, offrendo maggiore potenza e durata maggiore rispetto alle batterie con anodi di grafite. Toshiba ha sviluppato un metodo di riciclaggio che sfrutta le caratteristiche degli anodi di ossido, che sono più facili da riciclare rispetto alla grafite.
Nel riciclaggio dei materiali attivi delle batterie, ci sono metodi come il riciclaggio diretto, che riutilizza il materiale attivo mantenendone la struttura, e metodi che risintetizzano i materiali attivi dopo averli scomposti nei loro elementi e averli recuperati. Il riciclaggio che comporta la scomposizione del materiale attivo in elementi chimici richiede energia per risintetizzarlo per l'uso, mentre il riciclaggio diretto non richiede risintetizzarlo, riducendo così sia i costi che l'impatto ambientale, il che ha stimolato la ricerca e lo sviluppo negli ultimi anni.
Caratteristiche della tecnologia. Alla luce di queste esigenze, Toshiba ha sviluppato una tecnologia di riciclaggio diretto per batterie ad anodo di ossido ad alta potenza e lunga durata. Questa tecnologia è stata verificata per separare il materiale attivo dalla lamina di raccolta della corrente degli elettrodi dell'anodo di ossido mantenendo la struttura e le proprietà del materiale attivo, consentendo così il riutilizzo diretto.
Mantenere la stabilità strutturale del materiale attivo durante il processo di riciclaggio è importante per ottenere il riciclaggio diretto. Tra i materiali anodici di ossido, l'anodo di niobio titanio ossido (NTO) sviluppato da Toshiba ha una struttura stabile del materiale attivo. Sfruttando questa caratteristica, Toshiba ha sviluppato un metodo mediante il quale il trattamento termico decompone il componente legante che fissa l'NTO all'interno dell'anodo, consentendo lo stripping dalla lamina di raccolta della corrente e una facile separazione e recupero.
Inoltre, questo metodo consente la lavorazione a temperature più basse rispetto ai trattamenti termici tipicamente utilizzati nel riciclaggio degli elettrodi e il materiale attivo recuperato può essere riutilizzato direttamente dopo aver rimosso le impurità.
Toshiba ha prodotto elettrodi utilizzando NTO riciclato da rifiuti di elettrodi simulati prodotti durante i processi di fabbricazione delle batterie, nonché da batterie con degradazione simulata fino alla fine della loro vita. Dopo aver valutato le loro prestazioni nelle batterie, è stato confermato che la capacità del materiale attivo, un indicatore delle prestazioni del materiale attivo, mantiene oltre il 97% delle prestazioni, paragonabili a una batteria nuova.
Inoltre, è stato confermato che anche dopo ripetute cariche e scariche, queste batterie riciclate mantengono una capacità equivalente a quella delle batterie nuove, garantendone una lunga durata.
Sviluppi futuri. In primo luogo, Toshiba si concentrerà sulla definizione di metodi di riciclaggio mirati a materiali di scarto come gli scarti di elettrodi prodotti nelle fabbriche. Guardando alla fase in cui le batterie esaurite saranno raccolte dal mercato, Toshiba mira a stabilire un quadro per incorporare materiali riciclati nei prodotti e sviluppare uno schema di riciclaggio per recuperare e riciclare le celle anodiche NTO dal mercato.
Fonte da Congresso Green Car
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