LINEA DI ATTIVITÀ
LA 2.9
Descrizione risultati raggiunti LA
I risultati ottenuti nell’ambito della LA 2.9 sono stati i seguenti:
Caratterizzazione delle polveri a base di silicio, ricavate sia dai pannelli fotovoltaici privati del vetro di protezione (PV Sanyo_With backsheet), sia da quelli privati sia del vetro che del backsheet (PV Sanyo_Without backsheet).
Realizzazione di anodi per batterie agli ioni di litio (LiBs) utilizzando le polveri ottenute, con relativa caratterizzazione elettrochimica delle semicelle.
Ottimizzazione delle prestazioni anodiche intervenendo sulla granulometria delle polveri recuperate.
Inserimento dei dati ottenuti nella piattaforma IEMAP.
Più nel dettaglio, l’attività 2.9 è stata una prosecuzione di quanto intrapreso nelle precedenti linee: nella linea LA2.5, relativa alla prima annualità di Mission Innovation IEMAP, si era messo a punto un processo di lavorazione meccanica della polvere risultante dalla pirolisi di frammenti di pannelli fotovoltaici dismessi. Il processo, che consiste in una sequenza di macinazioni e setacciature opportunamente ingegnerizzate, mira a separare con tecniche fisiche (setacciatura) la parte più ricca di silicio dalla restante parte, riducendo contemporaneamente la dimensione della polvere sulla scala micrometrica (~3 µm). Tale polvere, ricca in silicio, è stata caratterizzata mediante differenti tecniche di analisi nella LA 2.7 per essere poi testata come materiale anodico per batterie Li-ione nella linea LA 2.9. I test elettrochimici hanno mostrato che il silicio, ottenuto mediante processi di riciclo di pannelli fotovoltaici senza ricorrere a metodi di purificazione chimica, è in grado di formare leghe con il litio e può quindi essere potenzialmente utilizzato per realizzare anodi ad elevata capacità per batterie litio-ione a elevato contenuto energetico, in sostituzione della grafite attualmente impiegata come materiale anodico nelle batterie litio-ione commerciali e classificata dalla Unione Europea tra i materiali strategici. Tutti i dati ottenuti dalla sperimentazione sono stati inseriti nella piattaforma IEMAP. È stata quindi intrapresa nella LA 2.9 l’attività di ricerca volta a migliorare le prestazioni anodiche intervenendo sulla granulometria delle polveri recuperate. Tale miglioria ha portato ad un aumento della stabilità della capacità specifica all’aumentare del numero di cicli di carica e scarica. Attualmente si sta lavorando ad un ulteriore miglioramento di tale aspetto agendo sulla composizione dell’anodo, sostituendo parzialmente il silicio con grafite. I risultati ottenuti nell’ambito della LA 2.9 sono stati i seguenti:
Più nel dettaglio, l’attività 2.9 è stata una prosecuzione di quanto intrapreso nelle precedenti linee: nella linea LA2.5, relativa alla prima annualità di Mission Innovation IEMAP, si era messo a punto un processo di lavorazione meccanica della polvere risultante dalla pirolisi di frammenti di pannelli fotovoltaici dismessi. Il processo, che consiste in una sequenza di macinazioni e setacciature opportunamente ingegnerizzate, mira a separare con tecniche fisiche (setacciatura) la parte più ricca di silicio dalla restante parte, riducendo contemporaneamente la dimensione della polvere sulla scala micrometrica (~3 µm). Tale polvere, ricca in silicio, è stata caratterizzata mediante differenti tecniche di analisi nella LA 2.7 per essere poi testata come materiale anodico per batterie Li-ione nella linea LA 2.9. I test elettrochimici hanno mostrato che il silicio, ottenuto mediante processi di riciclo di pannelli fotovoltaici senza ricorrere a metodi di purificazione chimica, è in grado di formare leghe con il litio e può quindi essere potenzialmente utilizzato per realizzare anodi ad elevata capacità per batterie litio-ione a elevato contenuto energetico, in sostituzione della grafite attualmente impiegata come materiale anodico nelle batterie litio-ione commerciali e classificata dalla Unione Europea tra i materiali strategici. Tutti i dati ottenuti dalla sperimentazione sono stati inseriti nella piattaforma IEMAP. È stata quindi intrapresa nella LA 2.9 l’attività di ricerca volta a migliorare le prestazioni anodiche intervenendo sulla granulometria delle polveri recuperate. Tale miglioria ha portato ad un aumento della stabilità della capacità specifica all’aumentare del numero di cicli di carica e scarica. Attualmente si sta lavorando ad un ulteriore miglioramento di tale aspetto agendo sulla composizione dell’anodo, sostituendo parzialmente il silicio con grafite.
Risultati attesi nel POA
I risultati ottenuti offrono significativi vantaggi e prospettive di applicazione per il sistema energetico nazionale. La potenza fotovoltaica installata in Italia è, infatti, in continua crescita e, considerando che la vita media di un pannello fotovoltaico è di circa 25-30 anni, si stima che entro il 2035 ci saranno circa 400.000 tonnellate di pannelli da smaltire. I pannelli dismessi rappresentano una preziosa fonte di materiali, tra cui il silicio, che l’Unione Europea classifica come materiale strategico.
Di conseguenza, il recupero del silicio dai pannelli fotovoltaici a fine vita risulta estremamente vantaggioso, consentendo di reintrodurlo in diverse filiere produttive, come quella delle batterie agli ioni di litio. La tecnologia di recupero e riuso per le LiBs, sviluppata nell’ambito delle linee LA 2.5, 2.7 e 2.9 di MI IEMAP, si distingue per il basso impatto ambientale ed è un esempio concreto di urban mining. I risultati ottenuti offrono significativi vantaggi e prospettive di applicazione per il sistema energetico nazionale. La potenza fotovoltaica installata in Italia è, infatti, in continua crescita e, considerando che la vita media di un pannello fotovoltaico è di circa 25-30 anni, si stima che entro il 2035 ci saranno circa 400.000 tonnellate di pannelli da smaltire. I pannelli dismessi rappresentano una preziosa fonte di materiali, tra cui il silicio, che l’Unione Europea classifica come materiale strategico.
Di conseguenza, il recupero del silicio dai pannelli fotovoltaici a fine vita risulta estremamente vantaggioso, consentendo di reintrodurlo in diverse filiere produttive, come quella delle batterie agli ioni di litio. La tecnologia di recupero e riuso per le LiBs, sviluppata nell’ambito delle linee LA 2.5, 2.7 e 2.9 di MI IEMAP, si distingue per il basso impatto ambientale ed è un esempio concreto di urban mining.
REFERENTE/I
Liberato Manna – Istituto Italiano di Tecnologia
Deliverable consegnati con questo LA
D2.11 – Rapporto tecnico: “Interazione del laboratorio/testing automatizzabile per la preparazione dei materiali anodici con la piattaforma computazionale”.
Livello di innovazione
Il processo sviluppato permette il riuso del silicio proveniente da pannelli fotovoltaici a fine vita senza la necessità di ricorrere a processi di purificazione chimica, riducendo così l’impatto ambientale e i costi associati. Questo silicio recuperato è stato impiegato con successo nella produzione di batterie agli ioni di litio, mostrando una densità di energia superiore rispetto a quella delle batterie commerciali al primo ciclo di carica e scarica. Inoltre, la tecnologia proposta consente di ridurre significativamente l’uso di grafite negli anodi delle LiBs, un aspetto particolarmente rilevante considerando che la grafite naturale è classificata come materiale strategico dall’Unione Europea.
Il processo sviluppato si distingue dagli altri brevetti esistenti nelle banche dati brevettuali, riguardanti l’estrazione di Si da pannelli fotovoltaici, dal momento che questi ultimi utilizzano trattamenti chimici, in soluzione acida o basica, utili a eliminare le impurezze metalliche e finalizzati alla creazione di porosità necessarie per il processo di litiazione/delitiazione. Il processo, validato in MI IEMAP su differenti tipologie di pannelli a base silicio, al contrario, non utilizza alcun trattamento chimico ed è da ritenersi a minor impatto ambientale. In particolare, sono stati testati due leganti polimerici in combinazione con la polvere di silicio recuperata e il nano-carbone: CMC e PVDF. L’anodo che impiega come legante CMC presenta una capacità specifica iniziale pari a 4.200 mAhg-1 (pari al valore teorico del silicio) mentre l’anodo che impiega come legante il PVDF presenta una capacità specifica iniziale pari a 1.000 mAhg-1. L’utilizzo di CMC assieme al nano-carbone e alla polvere recuperata dai PV dismessi consente non solo di ottenere anodi con capacità specifica oltre dieci volte superiore rispetto a quella delle batterie commerciali, ma offre anche vantaggi in termini di costo e sostenibilità: la CMC è meno costosa del PVDF, consente l’impiego di acqua come solvente per preparare gli elettrodi, anziché solventi ad elevato impatto ambientale, e permette quindi un riciclo degli elettrodi più semplice mediante dissoluzione in acqua. Il processo sviluppato permette il riuso del silicio proveniente da pannelli fotovoltaici a fine vita senza la necessità di ricorrere a processi di purificazione chimica, riducendo così l’impatto ambientale e i costi associati. Questo silicio recuperato è stato impiegato con successo nella produzione di batterie agli ioni di litio, mostrando una densità di energia superiore rispetto a quella delle batterie commerciali al primo ciclo di carica e scarica. Inoltre, la tecnologia proposta consente di ridurre significativamente l’uso di grafite negli anodi delle LiBs, un aspetto particolarmente rilevante considerando che la grafite naturale è classificata come materiale strategico dall’Unione Europea.
Il processo sviluppato si distingue dagli altri brevetti esistenti nelle banche dati brevettuali, riguardanti l’estrazione di Si da pannelli fotovoltaici, dal momento che questi ultimi utilizzano trattamenti chimici, in soluzione acida o basica, utili a eliminare le impurezze metalliche e finalizzati alla creazione di porosità necessarie per il processo di litiazione/delitiazione. Il processo, validato in MI IEMAP su differenti tipologie di pannelli a base silicio, al contrario, non utilizza alcun trattamento chimico ed è da ritenersi a minor impatto ambientale. In particolare, sono stati testati due leganti polimerici in combinazione con la polvere di silicio recuperata e il nano-carbone: CMC e PVDF. L’anodo che impiega come legante CMC presenta una capacità specifica iniziale pari a 4.200 mAhg-1 (pari al valore teorico del silicio) mentre l’anodo che impiega come legante il PVDF presenta una capacità specifica iniziale pari a 1.000 mAhg-1. L’utilizzo di CMC assieme al nano-carbone e alla polvere recuperata dai PV dismessi consente non solo di ottenere anodi con capacità specifica oltre dieci volte superiore rispetto a quella delle batterie commerciali, ma offre anche vantaggi in termini di costo e sostenibilità: la CMC è meno costosa del PVDF, consente l’impiego di acqua come solvente per preparare gli elettrodi, anziché solventi ad elevato impatto ambientale, e permette quindi un riciclo degli elettrodi più semplice mediante dissoluzione in acqua.
Disseminazione
Pubblicazioni scientifiche
M. L. Protopapa, G. Ansanelli, M. Pietrantonio, M. Tammaro, Research activity on PV waste recycling in ENEA, Detritus, 28 (2024) 121-128, https://doi.org/10.31025/2611-4135/2024.19409
M. L. Protopapa, E. Burresi, L. Capodieci, D. Carbone, A. Fiore, S. Grilli, B. Palazzo, M. Palmisano, E. Pesce, E. Salernitano, M. Schioppa, N. Taurisano, V. Valenzano, G. B. Appetecchi, Chemically Untreated Recycled Silicon from PV Panels for the Sustainable Production of Li-Ion Battery Anodes, sottomesso a Clean Technologies and Environmental Policy
M. L. Protopapa et al., Silicon as anode material for high energy density lithium-ion batteries: a state-of-the art survey on challenges and solutions, accettato per la pubblicazione su Silicon
Comunicati stampa e giornali
ENEA News: Ambiente: nuovi materiali per batterie con silicio recuperato da pannelli fotovoltaici, 29 Febbraio 2024,
https://www.media.enea.it/comunicati-e-news/archivio-anni/anno-2024/ambiente-nuovi-materiali-per-batterie-con-silicio-recuperato-da-pannelli-fotovoltaici.html
ENEA News: Energia: fotovoltaico, da ENEA brevetti e soluzioni per il riciclo dei pannelli a fine vita, 20 giugno 2024,
https://www.media.enea.it/comunicati-e-news/archivio-anni/anno-2024/energia-fotovoltaico-da-enea-brevetti-e-soluzioni-per-il-riciclo-dei-pannelli-a-fine-vita.html
Il Sole 24 Ore, 24 giugno 2024,
https://www.ilsole24ore.com/art/economia-circolare-nuove-batterie-silicio-panelli-fotovoltaici-dismessi-AFE9U34B
Presentazioni a workshop
M.L. Protopapa, “Il riuso del silicio recuperato da pannelli fotovoltaici dismessi nelle batterie a ioni di litio”, Convegno ICESP La diffusione delle buone pratiche come leva strategica per favorire la transizione circolare nelle aziende e negli enti pubblici, ECOMED 2024, 17-19 Aprile 2024, Catania.
M. L. Protopapa, G. Ansanelli, M. Pietrantonio, M. Tammaro, “Research activity on PV waste recycling in ENEA”, workshop “Recovery & recycling from PV panels”, 7th Symposium on Circular Economy and Urban Mining (SUM 2024), 15-17 Maggio 2024, Capri.
M.L. Protopapa, “Silicon powder recovered from end-of-life photovoltaic panels as anode material for lithium-ion batteries”, NanoInnovation 2023, Roma, 18-22 Settembre 2023.
M. L. Protopapa, “Closing silicon value chain (Progress and next steps)” within the Project PARSIVAL kick-off meeting, Università di Padova, 22-23 Giugno 2023.
M. L. Protopapa, “The re-use of silicon recovered from PV panels in batteries”, within the short course “Photovoltaic panels recycling to create silicon value chain”, Università del Salento, 17 Ottobre 2023.
M. L. Protopapa, “Lo studio ENEA per usare il silicio nelle batterie al litio”, online webinar “Riciclo e riutilizzo dei pannelli fotovoltaici in Puglia e su scala nazionale”, 20 Giugno 2024.
M. L. Protopapa, “Recovery and reuse of secondary raw materials from discarded PV panels”, IEMAP Training Course, 1-2 Ottobre 2024, https://youtu.be/iJzJY4B_KIM.
M. L. Protopapa, “Recupero di silicio da pannelli fotovoltaici dismessi e riuso nelle batterie a ioni di litio”, Meeting IEMAP, Roma, 3 Dicembre 2024.
Presentazioni ad eventi
Stand ENEA ad ECOMONDO 2023, Rimini 6 – 10 novembre 2023.
Stand ENEA ad ECOMONDO 2024, Rimini 5 – 8 novembre 2024.
Stand ENEA a ECOMED 2024, Catania 18 Aprile 2024.
Stand ENEA all’evento ERN Apulia – European Researchers’ Night 2023, Lecce 29 settembre – Ostuni 1° ottobre 2023.
Stand ENEA all’evento ERN Apulia MED- European Researchers’ Night 2024, Lecce 27 settembre 2024.
Stand ENEA all’evento Re-think Taranto 2024, Taranto 2-4 ottobre 2024. Pubblicazioni scientifiche
Stand ENEA all’evento Re-think Taranto 2024, Taranto 2-4 ottobre 2024.
