I metalli delle batterie riciclate sono efficaci come quelli di nuova estrazione?
Molti aspetti della vita moderna dipendono da un costante approvvigionamento energetico: basandoci sulla “legge di Moore”1, riteniamo di poterci aspettare quasi sempre un aumento della potenza di calcolo, con possibili previsioni analoghe per il futuro dello stoccaggio energetico. Nel 2022 la questione critica è: dove reperiremo tutti i metalli necessari?
Lo stoccaggio dell'energia può proseguire su svariati percorsi
Pensate a tre possibili casi di utilizzo diversi:
- un veicolo elettrico ad alte prestazioni. Qui si punterebbe principalmente sulla densità energetica e sull'autonomia di guida, con il presupposto di poter effettuare la ricarica sulla base di un ciclo regolarmente programmato, per esempio di notte mentre il proprietario dorme. La batteria può essere grande e piuttosto pesante, ma queste specifiche dipenderebbero soprattutto da altri dettagli che riguardano il veicolo in sé. Naturalmente le dimensioni e il peso non sarebbero illimitati;
- stabilizzazione dell'approvvigionamento energetico nel caso di una rete elettrica alimentata da fonti intermittenti. Tutti comprendono i vantaggi offerti da fonti di energia a zero emissioni come quella eolica o solare, ma sappiamo che il vento non è sempre costante e il sole non splende in continuazione. In questo caso potrebbero risultare utili batterie estremamente grandi che possano immagazzinare efficacemente energia per giorni, se non per settimane. Nell'ambito in questione, le dimensioni e il peso non costituirebbero necessariamente un problema, dal momento che la batteria è di per sé stazionaria;
- una batteria su misura per alimentare un piccolo dispositivo. L'efficienza e il peso potrebbero essere gli aspetti principali da considerare, per esempio nel caso di un dispositivo indossabile per il monitoraggio della salute.
Poiché la gamma dei casi di utilizzo è particolarmente varia, avremmo ragione di aspettarci un ventaglio diversificato di soluzioni per lo stoccaggio energetico; la tecnologia agli ioni di litio è stata predominante per quasi tre decenni, ma il futuro potrebbe promuovere molte tecnologie diverse.
Come aumentare la durata delle batterie? Occhio al catodo
Quando cambiamo le batterie di un telecomando o di un allarme antincendio, notiamo i segni + e -:
- il segno o polo negativo può essere chiamato “anodo”;
- il segno o polo positivo può essere chiamato “catodo”.
Ogni batteria deve far muovere gli elettroni per fornire energia; durante l'uso, gli elettroni si spostano dall'anodo al catodo e, durante la ricarica, compiono il percorso opposto. È noto, tuttavia, che le batterie non si possono caricare e ricaricare all'infinito e il catodo è tendenzialmente l'origine di questo problema.
Una gran parte della ricerca compiuta sullo sviluppo delle batterie è stata dedicata agli elementi e ai tipi di strutture del catodo che funzionano meglio. Se parliamo di una composizione NMC 811, ad esempio, ci riferiamo a un catodo composto da nichel, manganese e cobalto con 8 parti di nichel, una di manganese e una di cobalto. Si provvede così a determinate preoccupazioni di tipo economico e in materia di approvvigionamento, coniugando nel contempo le esigenze di sicurezza e di densità energetica. Poiché la struttura atomica del catodo è soggetta alle sollecitazioni dovute all'utilizzo e al riutilizzo, è qui che ci rendiamo conto che la durata della batteria e le sue prestazioni di ricarica potrebbero non corrispondere alle caratteristiche che abbiamo osservato quando era nuova di zecca2.
I metalli sono indipendenti dalla loro fonte?
Il nichel, il manganese e il cobalto da usare nelle batterie potrebbero provenire da svariati luoghi: per esempio dalle miniere, senza che siano mai stati impiegati prima all'interno di un'altra batteria o, analogamente, da una combinazione di prodotti riciclati, riconoscendo che la questione non si riduce sempre all'estrazione di quantità maggiori di questi materiali.
C'è differenza? In altri termini: dobbiamo aspettarci prestazioni di qualità inferiore se la fonte dei metalli utilizzati per le batterie è riciclata? Logicamente, gli atomi dei metalli distinti dovrebbero essere gli stessi a prescindere dalla loro fonte, ma si rende certamente necessaria una verifica in proposito3.
Redwood Materials è un'azienda specializzata nella produzione sostenibile di metalli per batterie, che si procura una quantità sempre maggiore dei materiali necessari da contenuto riciclato. Recentemente il Materials Research Group presso gli Argonne National Laboratories ha collaudato le prestazioni di catodi ad alto contenuto di nichel, come l'NMC-811 di cui abbiamo parlato prima, per vedere se fosse possibile constatare una differenza in termini di performance tra metalli appena estratti e metalli riciclati4.
Dai risultati di questa prova è emerso che le prestazioni dei materiali riciclati di Redwood non erano distinguibili da quelle dei nuovi metalli utilizzati nella costruzione delle batterie5. Non possiamo affermare che ciò comporterà fin da subito un boom del riciclo, ma si tratta di un passo importante che corrobora l'idea secondo cui, se le prestazioni e la sicurezza sono aspetti fondamentali, entrambi si possono conseguire altrettanto bene con materiali riciclati.
Conclusione: il riciclo ha implicazioni interessanti per la catena di approvvigionamento
Chiunque segua la produzione di batterie a livello planetario non potrà fare a meno di notare che la Cina è l'operatore principale, attualmente responsabile della realizzazione del 78% circa di materiali catodici6 (dobbiamo ricordare che i minerali metalliferi non escono dal terreno per finire direttamente all'interno di una batteria: prima è necessaria un'opera ingente di trasformazione). Di questo passo, entro il 2030 la percentuale summenzionata potrebbe salire al 90%, malgrado gli Stati Uniti siano impegnati a investire e ad espandere le proprie capacità interne. La Cina ha maturato un vantaggio; poiché la catena di approvvigionamento è integrata nel suo mercato, ha accentrato le competenze ed è in grado di separare in modo più rapido ed economico le materie prime dai metalli di scarto e di assemblarli nella struttura catodica necessaria. Nel campo della produzione e dei minerali per batterie, la Cina è avviata verso la conquista di una posizione analoga a quella occupata attualmente da Taiwan nell'ambito dei semiconduttori7.
Redwood Materials è un esempio di azienda statunitense che sta compiendo passi piuttosto interessanti, partendo dalla semplice vendita ad altri fornitori di materie prime fino ad arrivare alla produzione dei propri materiali catodici. Ha pure annunciato un investimento del valore di 3,5 miliardi di dollari per 10 anni a Reno, nel Nevada, dove prevede di produrre entro il 2025 materiale catodico sufficiente per 100 GWh di celle per batterie, più o meno la stessa quantità generata l'anno scorso da CATL, il principale produttore cinese8.
Benché la domanda di riciclo sia elevata, dal momento che nel 2022 il mercato sta promuovendo soluzioni sostenibili in tanti settori, questa prima fase dello sviluppo industriale presenta alcuni rischi: una società come Redwood sarà in grado di potenziare la produzione di metalli purissimi, poiché la purezza fa la differenza per quanto concerne le prestazioni delle batterie? La struttura dei metalli utilizzati nei catodi deve essere molto precisa; vi è poi il fatto che molti veicoli elettrici sono piuttosto recenti, ragion per cui non si dispone ancora di un volume enorme di batterie per auto da riciclare. Il riciclo delle batterie si trova in una fase iniziale e interessante del suo sviluppo storico; pensiamo che in futuro potrà costituire un collegamento rilevante nella catena di valore dello stoccaggio energetico, di pari passo con la crescita del trend9.
Fonti
1 La legge Moore (Gordon Moore, 1965) afferma che il numero di transistor nei microprocessori raddoppia ogni due anni circa. Questo fenomeno indica che i progressi nella potenza di calcolo diverranno sempre più rapidi ed efficienti nel corso del tempo.
2 Fonte: Barber, Gregory. “Recycled Battery Materials Can Work as Well as New Ones.” WIRED. 13 ottobre 2022.
3 Fonte: Barber, 13 ottobre 2022.
4 Comunicato stampa: “U.S. Department of Energy’s Argonne National Laboratory verifies performance of Redwood cathode from recycled content.” Redwood Materials. 13 ottobre 2022.
5 Comunicato stampa: Redwood Materials. 13 ottobre 2022.
6 Fonte: Barber, 13 ottobre 2022.
7 Fonte: Barber, 13 ottobre 2022.
8 Fonte: Barber, 13 ottobre 2022.
9 Fonte: Barber, 13 ottobre 2022.
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