Cù l'avanzamentu di a tecnulugia è u migliuramentu di u livellu di vita, e batterie sò diventate dispositivi essenziali di almacenamentu di energia, largamente aduprati in l'apparecchi elettronichi mobili, veiculi elettrichi, e sistemi di batterie di almacenamiento di energia rinnuvevuleTuttavia, per via di a so durata di vita limitata, a generazione à grande scala di batterie esaurite rapprisenta una seria minaccia per l'ambiente. E batterie usate cuntenenu metalli pesanti è sustanzi chimichi periculosi, chì, se trattate in modu impropriu, ponu causà inquinamentu ecologicu à longu andà, mette in periculu a salute umana è purtà à a perdita di risorse metalliche preziose cum'è u litiu, u cobaltu è u nichelu. Dunque, da u puntu di vista di a prutezzione di l'ambiente è di l'utilizazione di e risorse, u trattamentu è u riciclaggio efficienti di e batterie esaurite sò di grande impurtanza per ottene a circularità di e risorse è u sviluppu sustenibile.
Applicazioni di batterie è crescita di u mercatu
In l'ultimi 200 anni circa, e batterie sò state un dispositivu essenziale di almacenamiento di energia, largamente applicatu in l'elettronica portatile, i veiculi elettrici è numerosi altri campi per via di u so bassu costu, a so sicurezza è a so stabilità, l'alta efficienza di cunversione è a bona adattabilità ambientale [1]. Tuttavia, cù u ritmu rapidu di l'aghjurnamenti di u cunsumu è a dumanda in continua crescita di veiculi elettrici, si stima chì in u periodu da ghjennaghju à ghjugnu 2024, i mercati naziunali è internaziunali venderanu rispettivamente 318.1 GWh, 84.5 GWh è 23 GWh. A pruduzzione è a vendita di veiculi à nova energia anu righjuntu 4.929 milioni di unità, chì rapprisentanu una crescita annuale di 30.1% è 32.0%, rispettivamente, mentre chì l'esportazioni di veiculi elettrici cinesi anu righjuntu 1.0849 milioni di unità, un aumentu di 36.9% paragunatu à u listessu periodu di l'annu scorsu.
Durata di a batteria è generazione di rifiuti
Inoltre, i dati mostranu chì e batterie à piombu-acidu anu generalmente una durata di vita di 2-3 anni, e batterie à idruro di nichel-metallu 3-5 anni è e batterie à ioni di litiu 2-6 anni. Questa corta durata di vita hà purtatu à a generazione di un gran numeru di batterie esaurite. Sicondu e previsioni di u China Business Industry Research Institute, a quantità di batterie ritirate batterie à ioni di litiu in Cina righjunghjerà 1.04 milioni di tunnellate da u 2025 è aumenterà à 3.5 milioni di tunnellate da u 2030. Si stima ancu chì a dimensione di u mercatu per u riciclaggio di batterie elettriche in Cina righjunghjerà circa 140 miliardi di RMB da u 2030, circa nove volte più grande chè in u 2022.
Sfide in u Riciclaggio è a Regulazione di u Mercatu
Tuttavia, per via di norme obsolete, un numeru limitatu d'imprese qualificate è una supervisione debule, una grande parte di e batterie esaurite finisce in picculi attelli, ciò chì presenta rischi significativi per a sicurezza è impedisce seriamente u sviluppu standardizatu di u mercatu cinese di riciclaggio di batterie. In u 2023, u tassu di riciclaggio standardizatu per e batterie di i veiculi à energia nova in Cina era inferiore à u 25%, cù più di u 70% di e batterie esaurite chì entravanu in canali di riciclaggio illegali. In u 2018, a quantità tutale di batterie ritirate in Cina hà righjuntu 74,000 tunnellate, di e quali solu 5,472 tunnellate sò state riciclate currettamente, chì rapprisentanu solu u 7.4% di u totale di e batterie ritirate, assai al di sottu di i valori previsti.
Rischi per l'ambiente è per a salute
Un trattamentu impropriu di i materiali di l'elettrodi è di l'elettroliti in e batterie esaurite pò purtà à un inquinamentu ambientale severu per via di a liberazione di ioni metallichi cum'è u nichel, u cobalt è u manganese, è ancu altri cumposti organici, chì ponu ancu presentà risichi per a salute umana. À u listessu tempu, sti materiali anu un valore ecunomicu significativu. Senza un riciclaggio adattatu, micca solu risorse preziose serianu sprecate, ma a dipendenza di a Cina da u minerale di ferru aumenterebbe ancu, affettendu potenzialmente a sicurezza energetica naziunale.
Valore di e Risorse è Significanza Strategica
Per esempiu, u cuntenutu di cobaltu, litiu è nichelu in i materiali catodici hè significativamente più altu ch'è e so cuncentrazioni in i minerali naturali, righjunghjendu circa 5%-20%, 5%-7% è 5%-10%, rispettivamente, è cuntene ancu elementi traccia cum'è u rame, l'aluminiu è u ferru. E risorse di litiu mostranu schemi di distribuzione geopolitica chjari, è u riciclaggio pò riduce a dipendenza da l'approvvigionamentu stranieru mentre migliora a sicurezza naziunale di e risorse. Recuperazione efficiente di metalli preziosi da i metalli esauriti. batterie di lithium-ion ùn solu genera cunsiderevuli benefici ecunomichi, ma hà ancu una impurtante significazione geopolitica.
Questa rivista riassume i tipi di batterie, i sistemi elettrochimichi è i so principii di funziunamentu. Fornisce un'analisi cumparativa di i disinni di batterie di l'iniziu di u XIX seculu, cum'è e batterie di zincu-carboniu è di piombu-acidu, è e tecnulugie muderne di batterie, cumprese e batterie à idruro di nichel-metallu (NiMH) è e batterie di piombu-acidu regulate da valvula (VRLA), fucalizendu nantu à i so meccanismi di reazione, i vantaghji è i svantaghji, è i campi applicabili, cum'è detallatu in a Tabella 1. A rivista mette in risaltu chì e tecnulugie future di e batterie continueranu à esse ottimizzate versu una durata di vita più longa, costi più bassi è prestazioni ambientali migliorate per risponde à e diverse esigenze di l'applicazioni residenziali, industriali è aerospaziali.
A struttura basica di a grande maggioranza di e batterie include tipicamente un catodu, un anodu, un elettrolitu, un separatore è un involucru. Pigliendu batterie di lithium-ion cum'è esempiu in termini di cumpusizione: u materiale di u catodu cuntene di solitu metalli d'alta valenza, mentre chì u materiale di l'anodu hè custituitu principalmente da materiali à basa di carbone cum'è a grafite, i materiali metallichi o i materiali di silicone, cù i materiali à basa di carbone chì sò i più cumuni. Per esempiu, in e batterie alcaline è e batterie zincu-carboniu, l'anodu hè cumpostu principalmente da zincu metallicu, mentre chì u diossidu di manganese serve da catodu.
Attualmente, l'elettroliti in usu sò principalmente elettroliti liquidi (per esempiu, esafluorofosfatu di litiu) è elettroliti solidi (per esempiu, ossidi, sulfuri, polimeri, ecc.). I primi offrenu una maggiore conducibilità ionica, mentre chì i secondi furniscenu prestazioni di sicurezza superiori. I separatori di batterie, tipicamente fatti di polietilene (PE) o polipropilene (PP), ponu esse classificati cum'è membrane PE o PP à un solu stratu, o cum'è membrane PP/PE à trè strati. I materiali di l'involucru sò generalmente cumposti da metalli o materiali compositi.
Periculi di e batterie esaurite
E batterie esaurite micca riciclate presentanu risichi ambientali è sanitari significativi. I metalli pesanti è e sostanze tossiche in u percolatu di a batteria ponu contaminà u terrenu è i corsi d'acqua, disturbendu l'ecosistema naturale. Quessi inquinanti ponu accumulassi gradualmente in a terra è in e culture, entrendu infine in u corpu umanu è rapprisentendu potenziali minacce per a salute. I contaminanti emergenti in e batterie, cum'è e nanostrutture metalliche, i materiali à basa di carbone è i liquidi ionichi, sò stati ancu studiati ampiamente. Mentre chì sti materiali ponu migliurà e prestazioni di a batteria, ponu ancu causà gravi periculi ambientali. Per esempiu, e nanostrutture metalliche ponu migliurà a capacità di almacenamiento è l'efficienza energetica, ma tendenu à aggregà si, purtendu à una degradazione di e prestazioni. I materiali à basa di carbone, cum'è u grafene è i nanotubi di carbone, ponu esercitare effetti tossichi nantu à l'ecosistemi acquatici. I liquidi ionichi ponu accumulassi in u terrenu è in l'acqua, producendu effetti citotossici nantu à i microrganismi.
Inoltre, per via di a ricerca ecotossicologica insufficiente, di e tecnulugie di riciclaggio limitate è di e lacune normative, i risichi ambientali assuciati à i novi materiali di batterie richiedenu una maggiore attenzione.
A scuperta di materiali à basa di grafene (GFM) hà suscitatu preoccupazioni riguardu à u so impattu ecologicu, in particulare i so effetti tossichi nantu à l'organismi acquatichi. Studi anu dimustratu chì i GFM mostranu tossicità per i batteri, l'alghe, l'invertebrati è i pesci, affettendu negativamente a so sopravvivenza, crescita è ripruduzzione. Per esempiu, l'ossidu di grafene (GO) pò inibisce a crescita algale è induce stress ossidativu, purtendu à danni cellulari. A stabilità è a mobilità di i GFM in ambienti acquatichi sò influenzate sia da e so proprietà fisico-chimiche intrinseche sia da i parametri fisico-chimichi di l'acqua. I so cumpurtamenti in acqua, cum'è l'adsorbimentu è l'aggregazione, ponu alterà a so distribuzione è u so destinu finale in i sistemi acquatichi.
Attualmente, e linee guida di sicurezza ambientale per i GFM sò incomplete, è mancanu metudi di test standardizati. Dunque, sò necessarie ulteriori ricerche per determinà e so concentrazioni ambientali effettive è l'effetti à longu andà, per stabilisce linee guida di sicurezza è strategie di gestione scientificamente valide.
Soluzioni di Gestione di Batterie di Rifiuti
I principali metudi di smaltimentu di e batterie esaurite includenu l'incenerazione, a discarica è u riciclaggio [16]. Susana Xará et al. anu valutatu tuttu u ciclu di vita di e batterie, da a smaltimentu da parte di i cunsumatori à u trattamentu finale o l'incorporazione in l'ambiente, utilizendu u metudu di Valutazione di u Ciclu di Vita (LCA). U studiu hà trovu chì a discarica hà u più grande impattu in termini di occupazione di a terra è contaminazione à longu andà di l'acqua sutterranea, mentre chì l'incenerazione affetta principalmente l'emissioni atmosferiche è l'utilizzazione di e risorse. In cuntrastu, u riciclaggio offre vantaghji significativi per a prutezzione ambientale è u recuperu di e risorse. I prucessi di riciclaggio generalmente implicanu u pretrattamentu, a lisciviazione è l'estrazione di metalli, è a preparazione di u produttu [17] (vede Figura 2). U pretrattamentu include a scarica, u smontaggio manuale o a separazione meccanica, è a separazione di i materiali catodici da a foglia d'aluminiu. I metudi cumuni includenu a dissoluzione di solventi, a separazione assistita da ultrasoni, u trattamentu termicu è a separazione meccanica.
Attualmente, i prucessi di lisciviazione è estrazione di metalli implicanu principalmente a pirometallurgia è l'idrometallurgia tradiziunali, è ancu e tecniche emergenti di biometallurgia (e differenze specifiche sò riassunte in a Tavula. A pirometallurgia implica u trattamentu à alta temperatura di e batterie esaurite per arricchisce è precipità elementi metallichi. U prucessu principia cù u smantellamentu è a frantumazione di e batterie per rimuovere i cumpunenti non metallichi è ottene materiali di elettrodi. In seguitu, i materiali di l'elettrodi sò sottumessi à a torrefazione, cumprese e tappe di riduzione è ossidazione, per trasformalli in forme più gestibili. U trattamentu à alta temperatura hè poi cumminatu cù flussi è agenti riducenti per pruduce leghe o elementi metallichi, chì sò infine recuperati per mezu di metudi di separazione fisica è chimica.
Ancu s'è a pirometallurgia hè assai efficace per e batterie esaurite cumplesse, cum'è e batterie à piombu-acidu, nichel-cadmiu è zincu-manganese, hè assai energivora è inquinante per l'ambiente. I cumpunenti cum'è u piombu, u cadmiu, u zincu è u mercuriu ponu volatilizà o precipità à 300-400 °C, ciò chì richiede una manipulazione attenta. Di cunsiguenza, a pirometallurgia ferma u metudu principale per recuperà sti metalli.
L'idrometallurgia impiega solventi chimichi per scioglie l'elementi metallichi da e batterie esaurite, seguita da a separazione è l'estrazione cù tecniche chimiche è fisiche. U prucessu principia cù u smantellamentu è a frantumazione di e batterie per ottene materiali di l'elettrodi, chì sò poi lisciviati cù soluzioni acide o alcaline per scioglie l'elementi metallichi. E soluzioni risultanti sò purificate per mezu di scambiu ionicu, estrazione cù solventi, o altri metudi per rimuovere l'impurità. Infine, i metalli pesanti sò recuperati da l'acqua di scaricu per mezu di precipitazione è elettrolisi. L'idrometallurgia hè particularmente adatta per u recuperu di metalli di alta purezza da batterie esaurite à idruro di nichel-metallo è ioni di litiu, in particulare per metalli preziosi cum'è u cobalt è u nichel. Tuttavia, questu metudu genera acqua di scaricu chì cuntene sale chì richiede trattamentu è pò causà inquinamentu secundariu.
A biometallurgia implica l'usu di microorganismi è di i so prudutti metabolichi per estrarre elementi metallichi da batterie usate in modu efficiente. U prucessu include u smantellamentu di batterie danneggiate per ottene materiali di elettrodi, seguitu da biolisciviazione in cundizioni adatte utilizendu mezzi microbici specializati per dissolve efficacemente i metalli. I passi di purificazione successivi utilizanu scambiu ionicu è estrazione di solventi, è i metalli sò infine recuperati per via di precipitazione è elettrolisi. A biometallurgia hè particularmente preziosa per u recuperu di metalli di grande valore cum'è u nichel è u cobalt.
