Recupero materiali, Sperimentale

Attrezzatura/Strumenti principali utilizzati
Laboratorio per lo sviluppo di processi per il recupero e la valorizzazione di materiali contenuti in matrici complesse. L’analisi strumentale viene utilizzata per la caratterizzazione delle matrici, l’individuazione degli elementi target e di interesse ai fini della valorizzazione, la caratterizzazione dei prodotti ottenuti dai processi studiati e messi a punto e la verifica dei bilanci di materia. Gli strumenti utilizzati principalmente sono spettrofotometri ad emissione (MPAES) e in assorbimento (IR). Il laboratorio è dotato di altri strumenti analitici quali ad es. Cromatografo Ionico e spettrofotometro ad Assorbimento Atomico a fiamma e di attrezzature per la preparativa quali centrifughe, mulini, cappe, etc.

Tipo di misure che sono possibili da realizzare in questo laboratorio, con questo strumento/i

L’uso della spettrofotometria ad emissione al plasma generato da microonde (MPAES) permette di effettuare l’analisi elementare qualitativa e quantitativa degli elementi oggetto di studio (es. Ni, Mn, Co, Li etc..) ottimizzando i metodi di analisi al fine di rendere esportabile la metodologia di lavoro all’intera categoria di catodi tenendo conto delle eventuali interferenze legate alla matrice e delle differenti tipologie. Tale tecnica di analisi richiede che il campione sia in fase liquida; pertanto, è necessaria la solubilizzazione dello stesso attraverso agenti liscivianti il cui effetto sulle misure è stato valutato attraverso i bianchi di analisi e processo.

L’uso della spettrofotometria in assorbimento permette di effettuare confronti intertecnica e può essere effettuata direttamente sul campione allo stato solido senza operare alcuna fase di preparativa (solubilizzazione). Inoltre, permette di individuare i gruppi funzionali caratteristici delle molecole delle sostanze utilizzate per la messa a punto delle operazioni unitarie del processo di recupero/valorizzazione degli elementi target.

Applicazione
Gli strumenti e le tecniche sopra descritti sono stati utilizzati nelle attività di caratterizzazione delle matrici oggetto di studio e dei prodotti di processo. È in corso la verifica dell’efficacia delle operazioni unitarie individuate nei processi di valorizzazione ipotizzabili (LA 2.11 e 2.12).

Descrizione risultati raggiunti

La linea di attività prevede lo sviluppo di:

• una metodologia per la caratterizzazione chimica di polveri catodiche sintetiche di batterie al litio;
• procedure specifiche per la preparazione dei campioni da sottoporre alle analisi strumentali;
• definizione di un protocollo analitico per le specie chimiche di interesse.

Per l’attività di ricerca è stata svolta l’analisi della letteratura disponibile per verificare lo stato dell’arte e gli orientamenti del settore/filiera delle batterie al litio, al fine di sviluppare una strategia per la definizione dei campioni rappresentativi della matrice e della corrispondente metodologia per la caratterizzazione chimica del materiale catodico sintetizzato.

Lo studio bibliografico condotto ha messo in luce l’orientamento della comunità scientifica verso la ricerca di sistemi di accumulo a basso o nullo contenuto di cobalto, già ampiamente utilizzate nel settore del trasporto elettrico. In base a tali considerazioni è stato scelto di incentrare l’attività sperimentale sui catodi NMC (litio-nichel-manganese-cobalto) e LFP (litio-ferro-fosfato) in quanto rappresentativi di una tendenza di mercato attuale e futura.

La scelta delle tipologie di catodo ha permesso di individuare gli elementi target (litio, nichel, manganese, cobalto, ferro e fosforo). Poiché all’interno della categoria delle celle NMC è in corso una riduzione progressiva nel tempo del contenuto di cobalto, sono stati studiati i rapporti reciproci di tali elementi in modo da sviluppare una soluzione di caratterizzazione (e successivamente di trattamento) in grado di far fronte a necessità immediate e future di trattamento delle celle esauste, rendendo esportabili le metodologie di lavoro individuate all’intera categoria dei catodi LFP. Per quanto riguarda i catodi LFP, si fa presente che la matrice oggetto di studio è costituita da una polvere catodica di tipo commerciale; per tale motivo, oltre al metodo per litio, ferro e fosforo, è stato fissato come elemento target anche il carbonio spesso usato per migliorare le proprietà elettriche.

Poiché la spettroscopia ad emissione richiede campioni in fase liquida, sono stati effettuati test di lisciviazione che hanno permesso di individuare le condizioni ottimali per solubilizzare quantitativamente le matrici tenendo anche conto della differente speciazione chimica di alcuni elementi come il manganese.

Le prove hanno evidenziato che il processo di solubilizzazione risulta influenzato dalla speciazione chimica degli elementi target selezionati, ed in particolare del manganese Mn(II) e Mn(IV) e che le condizioni ottimali di solubilizzazione per i catodi NMC si ottengono con l’acqua regia. Per quanto riguarda i catodi LFP, la lisciviazione con acqua regia e l’analisi del residuo solido mediante TOC (total organic carbon) o, in alternativa, l’attacco solfonitrico insieme all’analisi della polvere catodica iniziale mediante TOC permettono in entrambi i casi di determinare la composizione della polvere oggetto di studio. In base agli elementi target scelti e alla tipologia della matrice, è stata individuata quale tecnica analitica opportuna per la fase di analisi, la spettroscopia ad emissione, e in virtù di tale scelta metodologica, è stata sviluppata la procedura di preparazione dei campioni da sottoporre alle analisi strumentali.