LINEA DI ATTIVITÀ
LA 2.12
Descrizione risultati raggiunti LA
Le batterie contenenti esclusivamente litio, ferro e fosforo come materiale catodico (LFP) stanno diventando sempre più appetibili in termini industriali in quanto non contengono cobalto (presente all’interno dell’elenco europeo delle materie prime critiche) o nichel, che sono cancerogeni e provocano problemi ambientali e sanitari sia durante la produzione che durante i trattamenti di fine vita.
A seguito delle attività svolte nella LA2.11 descritte nel Deliverable D2.13, è stato individuato il processo di trattamento per la valorizzazione del materiale catodico LFP.
Il processo consiste in tre blocchi principali di operazioni, denominati Sezione 1, 2 e 3: per procedere con la validazione del processo in scala maggiore, è stato necessario ottimizzare le varie operazioni unitarie previste nelle suddette sezioni. A titolo di esempio, per la sezione 1 sono stati studiati gli effetti delle variazioni di alcuni parametri che possono influenzare la reazione di dissoluzione iniziale della matrice, quali la temperatura, il rapporto liquido/solido (L/S; mL/g) tra il volume di liquido utilizzato come soluzione lisciviante e la quantità in massa del materiale catodico solido, ed il rapporto molare tra il ferro contenuto nella soluzione lisciviante ed il litio contenuto nel materiale catodico (molFe/molLi).
La validazione del processo è stata poi effettuata utilizzando l’impianto dimostrativo ROMEO (Recovery Of MEtals by hydrOmetallurgy), impianto dedicato al recupero e alla separazione di materiali da matrici complesse per via idrometallurgica.
L’impianto, in opera presso l’edificio C29 del CR ENEA Casaccia (Roma), è concepito con una configurazione modulare: è strutturato in maniera tale che si possano attrezzare opportunamente gli spazi a disposizione in funzione del processo e della filiera da verificare sperimentalmente in scala pilota: si assemblano di volta in volta i macchinari più opportuni per comporre le isole operative, escludendo le attrezzature ridondanti per operare nella massima sicurezza. Questa logica fornisce ampi gradi di libertà per la verifica della maggior parte dei processi idrometallurgici.
A conclusione di quanto sperimentato e per dare un quadro sinottico, è stato presentato il flow sheet finale, realizzato tenendo in considerazione tutte le sezioni operative descritte e commentate nel deliverable D2.14
Quest’ultime sono state utilizzate per implementare la piattaforma di calcolo prevista nell’ambito del progetto IEMAP. Le batterie contenenti esclusivamente litio, ferro e fosforo come materiale catodico (LFP) stanno diventando sempre più appetibili in termini industriali in quanto non contengono cobalto (presente all’interno dell’elenco europeo delle materie prime critiche) o nichel, che sono cancerogeni e provocano problemi ambientali e sanitari sia durante la produzione che durante i trattamenti di fine vita.
Quest’ultime sono state utilizzate per implementare la piattaforma di calcolo prevista nell’ambito del progetto IEMAP.
Risultati attesi nel POA
Con riferimento alle attività di recupero dei materiali dai sistemi di accumulo a fine vita sviluppate nelle LA 2.10, LA 2.11 e LA 2.12, è da evidenziare il loro notevole impatto sull’industria di riferimento in termini di soluzioni atte ad incrementare la disponibilità dei materiali critici e/o strategici quali ad esempio litio e fosforo per mitigare la dipendenza da approvvigionamenti extra-UE o dal rischio di esaurimento dei giacimenti produttivi. Il litio, ad esempio, è un materiale definito “critico” a livello europeo, a causa dell’elevata importanza economica nonché dell’elevato rischio di approvvigionamento (EU, 2023). Visto il suo utilizzo nelle tecnologie strategiche alla base delle transizioni verde e digitale, esso è stato inoltre incluso nel gruppo dei materiali cosiddetti “strategici”. Il suo recupero da fonti secondarie è, dunque, di primaria importanza. Visto il considerevole interesse verso la chimica di tipo LFP da parte dei maggiori players internazionali ed i conseguenti considerevoli volumi del fine vita che sono previsti per i prossimi anni, è di fondamentale importanza per il sistema Paese avere tecnologie di valorizzazione disponibili e facilmente implementabili su scala più importante. La piattaforma computazionale IEMAP ha consentito di creare un database riguardo i parametri di processo definiti durante le attività progettuali per il trattamento di recupero materiali da poter essere reinseriti nella catena del valore delle LIBs.
REFERENTE/I
Danilo Fontana – ENEA
Deliverable consegnati con questo LA
D 2.14 – Report: “Validazione in scala pilota dell’ipotesi del processo di recupero materiali da sistemi di accumulo elettrochimico a fine vita”.
Livello di innovazione
Allo stato attuale c’è un grande interesse della comunità scientifica nel proporre soluzioni al problema del trattamento dei sistemi di accumulo a fine vita; quasi quotidianamente si può riscontrare la pubblicazione di articoli scientifici relativi a questa tematica. Attualmente, il riciclo delle batterie con chimica catodica LFP manca ancora di una strategia industriale di valorizzazione del fine vita che sia incentrata sul recupero della maggior parte (o di tutti) i materiali. Il trattamento delle batterie viene generalmente eseguito attraverso pirometallurgia, idrometallurgia e/o riciclaggio diretto
Gli studi effettuati hanno portato alla definizione di un flow sheet di processo per il recupero dei materiali partendo da materiali catodici LFP generalmente utilizzati nella produzione di LIBs: l’innovazione risiede nel fatto che il processo definito è in grado di valorizzare un elevato numero di componenti presenti nel rifiuto (oltre al litio, anche il fosforo viene valorizzato nel caso dei catodi di tipo LPF), così come nella selezione di agenti liscivianti a ridotto impiatto ambientale.
Attraverso il percorso delle LA2.10-12 è stato proposto un metodo per recuperare sia il litio sia il fosfato di ferro (FePO4) da catodi LFP. Il processo si basa sull’utilizzo di una soluzione di cloruro ferrico (FeCl3), considerato un agente lisciviante “green” e a basso costo; il processo inoltre non richiede l’aggiunta di ossidanti e consente la lisciviazione del litio in breve tempo (30 minuti). È stata eseguita anche la valorizzazione del contenuto di Fe e P, con l’obiettivo di recuperare la maggior parte dei materiali dalla matrice selezionata
Il processo, fondato sulla selezione di opportune operazioni unitarie, non ha avuto il solo scopo accademico di dimostrarne la fattibilità chimica, ma, sulla base delle competenze acquisite dal gruppo di ricerca nel corso del tempo su impianti pilota, è stato progettato e poi verificato in scala maggiore contemplando le potenziali problematiche che avrebbero potuto manifestarsi in sede di applicazione in scala industriale. Allo stato attuale c’è un grande interesse della comunità scientifica nel proporre soluzioni al problema del trattamento dei sistemi di accumulo a fine vita; quasi quotidianamente si può riscontrare la pubblicazione di articoli scientifici relativi a questa tematica. Attualmente, il riciclo delle batterie con chimica catodica LFP manca ancora di una strategia industriale di valorizzazione del fine vita che sia incentrata sul recupero della maggior parte (o di tutti) i materiali. Il trattamento delle batterie viene generalmente eseguito attraverso pirometallurgia, idrometallurgia e/o riciclaggio diretto
Il processo, fondato sulla selezione di opportune operazioni unitarie, non ha avuto il solo scopo accademico di dimostrarne la fattibilità chimica, ma, sulla base delle competenze acquisite dal gruppo di ricerca nel corso del tempo su impianti pilota, è stato progettato e poi verificato in scala maggiore contemplando le potenziali problematiche che avrebbero potuto manifestarsi in sede di applicazione in scala industriale.
Disseminazione
Materials recovery from end-of-life electrochemical storage systems: results from the IEMAP Project. Presentazione orale a cura dell’ing. F. Forte. Proceedings VENICE 2024 © 2024 CISA Publisher. ISBN: 9788862650458
IEMAP training course, Labs and technologies for the accelerated design of materials for energy. Valorizing complex matrices: a focus on energy storage system materials from the IEMAP project. F. Forte. 01/10/2024 (https://www.youtube.com/watch?v=iJzJY4B_KIM online)
Materials recovery from end-of-life electrochemical storage systems: results from the IEMAP project. F. Forte. Sessione “Automation and high throughput research”. NANOINNOVATION 2024. Roma, 12 settembre 2024
GIORNATA AIRI PER L’INNOVAZIONE INDUSTRIALE: 1974-2024, 50 ANNI DELL’ASSOCIAZIONE Roma 14 novembre 2024. SESSIONE DI PITCH & MATCH: Danilo Fontana – Tecnologie per Rifiuti e Materie Prime Seconde
Evento Finale Progetto IEMAP Roma, 3 dicembre 2024 ore 9.30 Roma Eventi Fontana di Trevi – Piazza della Pilotta n.4
Reclaiming lithium, iron, phosphorus and carbon from the cathodic powder of lithium ion batteries by hydrometallurgy – Articolo sottoposto per la pubblicazione peer reviewed a: Journal of Material Cycles and Waste Management, Springer Materials recovery from end-of-life electrochemical storage systems: results from the IEMAP Project. Presentazione orale a cura dell’ing. F. Forte. Proceedings VENICE 2024 © 2024 CISA Publisher. ISBN: 9788862650458
Reclaiming lithium, iron, phosphorus and carbon from the cathodic powder of lithium ion batteries by hydrometallurgy – Articolo sottoposto per la pubblicazione peer reviewed a: Journal of Material Cycles and Waste Management, Springer
