Il riciclo di una batteria non è mai un processo semplice. La grande varietà di modelli, le differenze di forma, dimensione e chimica rendono il riciclo e riutilizzo dei materiali presenti nelle batterie piuttosto complesso. Considerando però i pericoli annessi allo smaltimento scorretto di questi materiali, risulta chiaro che il riciclo costituisce una fase assolutamente necessaria. La cattiva gestione dei rifiuti tecnologici, il mancato reinserimento nel mercato del materiale riciclato, causano danni ingenti in termini ambientali, igienico-sanitari ed economici. Danni capaci di vanificare i benefici che potremmo trarre dalla stessa tecnologia. La ricerca però continua a focalizzarsi sul potenziale positivo intrinseco al mondo delle batterie e presenta costantemente possibili soluzioni. Affiorano nuovi stimoli e punti di vista innovativi che permettono la prototipazione di svariati modelli di batteria. Dalle batterie allo stato solido alle batterie organiche, ecco quali potrebbero essere le batterie del futuro.
Introduzione
La batteria è un fattore chiave per svincolare la società dall’utilizzo dei combustibili fossili, ma siamo ancora lontani dalla neutralità climatica, basti considerare le numerose difficoltà legate al settore (estrazione e pericolosità dei materiali, riciclo, costi economici, difetti e limitazioni tecniche). Dai trasporti elettrici a zero emissioni ai sistemi di accumulo di energia rinnovabile, sono le batterie ad assumere un ruolo centrale nel processo di elettrificazione della società, processo che potrebbe consentirci di diminuire le emissioni a un decimo nei prossimi anni. Le batterie al litio restano le più performanti finora, ma, come già illustrato nella prima parte dell'articolo, comportano una serie di svantaggi. Sono in molti gli studiosi alla ricerca di materiali alternativi, al fine di brevettare per il futuro batterie maggiormente prestanti diminuendo l’impatto ambientale.
LE PROBLEMATICHE AMBIENTALI LEGATE AL MERCATO DELLE BATTERIE
Figura 1: Le batterie esaurite necessitano di un corretto sistema di smaltimento e riciclo
La tecnologia delle batterie oltre al potenziale, racchiude in sé numerosi rischi che, se ignorati, annullano totalmente gli effetti positivi che potremmo trarne, lasciandoci con una serie di problematiche in più da risolvere: molti dei materiali utilizzati per la produzione delle batterie in commercio al giorno d'oggi sono tossici, in molti casi infiammabili, pericolosi per la sicurezza e difficilmente riciclabili. Il processo di estrazione dei materiali comporta gravi conseguenze in termini ambientali e sanitari: materiali come cobalto, nichel, manganese, grafite, litio, sono essenziali per il funzionamento delle batterie odierne, ma le metodologie di estrazione non sempre rispettano i codici etici (cattive condizioni lavorative, sfruttamento minorile, assenza di azioni preventive per la salvaguardia ambientale). Estrarli significa creare rifiuti tossici che spesso non vengono raccolti e smaltiti correttamente, ma dispersi nell'ambiente, inquinando aree abitate e risorse essenziali (come l'acqua potabile) di intere comunità e villaggi, provocando così gravi conseguenze sanitarie e sociali. Cosa non meno rilevante da considerare è la carenza e-o rarità di tali metalli e le problematiche relative al loro ottenimento. Inoltre, il processo di lavorazione delle batterie viene alimentato spesso dai vecchi sistemi energetici, producendo quindi una grande quantità di CO2. Si tratta di un circolo vizioso: fino ad ora la produzione delle batterie ha comportato costi economici e ambientali eccessivi, eppure batterie e accumulatori potrebbero risolvere uno dei problemi legati alle risorse energetiche rinnovabili, ossia la disponibilità a intermittenza, e permetterci di realizzare nuovi sistemi di accumulo energetico. Il riciclo è necessario, ma la questione è complicata, la sola raccolta delle batterie è una fase delicata: le batterie accumulate negli impianti di smaltimento possono danneggiarsi, andare in cortocircuito e quindi incendiarsi, mettendo in serio pericolo cittadini e addetti ai lavori. Negli ultimi anni, sono state registrate numerose catastrofi dovute a incendi massivi scatenati da batterie al litio negli impianti di smaltimento di diverse parti del mondo, comportando ingenti spese pubbliche per rimediare ai danni. Il Journal of the Indian Institute of Science afferma che le batterie al litio riciclate in Europa e negli USA sono meno dell'1%, mentre la tecnologia al piombo viene riciclata per il 99%. SOMO ha calcolato che a livello globale le batterie riciclate risultano approssimativamente il 5% del totale. Quello che manca nella società sono sistemi efficienti di riciclo. Sono in molti a spingere verso una transizione che ci porti da un'economia lineare a un’economia circolare, che sia in grado di integrare le risorse di cui disponiamo entro un meccanismo funzionale di utilizzo e riutilizzo. Ma, da un punto di vista tecnico, il riciclo non è un processo semplice. Riassumiamo di seguito le problematiche principali inerenti al recupero dei materiali: le batterie Li-Ion si trovano nella maggioranza dei dispositivi elettronici che utilizziamo, hanno diverse dimensioni, diverse composizioni chimiche al loro interno e si caratterizzano per una rapida evoluzione (ogni due anni circa vengono introdotte nel mercato nuove tipologie con nuovi composti chimici); ciò rende complicata l'implementazione di infrastrutture di riciclo standardizzate. Una batteria inoltre è composta da diversi moduli, ognuno dei quali si costituisce a sua volta di diverse celle da cui bisognerà recuperare i materiali; quest'operazione risulta estremamente complessa e necessita di operatori altamente competenti, capaci di effettuare i dovuti trattamenti chimici necessari. Queste complicazioni rendono il processo di riciclo e il recupero dei materiali maggiormente dispendioso rispetto all’acquisto di materiali forniti dall’industria mineraria.
UN METODO ALTERNATIVO DI RICICLO E SMALTIMENTO
La startup tedesca Duesendelf presenta un metodo di riciclo che evita l’incinerazione, riducendo la produzione di CO2 del 40% e consentendo il riciclo del 90% dei materiali presenti nelle celle. Le batterie vengono scaricate e disassemblate nelle parti costituenti; l'estrazione dei metalli avviene attraverso soluzione a base d'acqua: i composti chimici allo stato liquido evaporano e si condensano, disgregandosi poi in composti chimici più semplici e quindi riutilizzabili. Fortum, una compagnia energetica con sede in Finlandia, sta indagando metodi analoghi che sembrano permettere il riciclo e la reintegrazione nel mercato dell'80% dei materiali presenti nelle celle (Mn, Co, Ni inclusi).
LE BATTERIE DEL FUTURO
Data l'intensa attività di indagine che molti colossi dell'industria stanno finanziando, vi sono ampi margini di sviluppo e numerosi progetti di ricerca aventi l'obiettivo di progettare modelli di batterie capaci di superare sfide e limiti odierni, nonché sviluppare nuove tecnologie alternative alla batteria. Si indagano nuovi materiali, meccanismi e metodi di produzione/smaltimento per la realizzazione di nuove generazioni di batterie. Nel tentativo di eliminare, o quantomeno ridurre, l'uso dei metalli, sono stati impiegati diversi elementi organici, non tossici e altamente degradabili.
BATTERIE ALLO STATO SOLIDO
Le batterie allo stato solido (SSB-Solid State Battery) rientrano tra le soluzioni più promettenti permettendo una netta diminuzione dei costi di fabbricazione e un incremento dell'efficienza. Non rappresentano una scoperta recente, ma grazie agli studi intensivi dell'ultima decade, la tecnologia sta superando i suoi limiti tramutandosi in un vero e proprio cambio di paradigma. Sono state considerate nuove famiglie di elettroliti solidi dall'elevata conduttività ionica permettendo alle SSB di superare le prestazioni delle batterie Li-Ion: ottimizzazione delle condizioni di sicurezza, capacità e velocità di ricarica migliorate, dimensioni ridotte. In questa tecnologia l'elettrolita si costituisce di composti solidi che tuttavia permettono il passaggio degli ioni al loro interno. Composti che possono essere suddivisi in due macro-categorie, gli elettroliti solidi inorganici (ISE, Inorganic Solid Electrolyte) e polimerici (SPE, Solid Polymer Electrolyte) che a loro volta comprendono diversi materiali:
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