Le batterie usate alimenteranno i veicoli elettrici nuovi

Il riciclo delle batterie agli ioni di litio si sta sviluppando grazie ad aziende come Redwood Materials e potrebbe favorire la transizione verso le energie rinnovabili.

Il riciclo delle batterie è una delle 10 tecnologie rivoluzionarie del MIT Technology Review per il 2023. Scoprite il resto dell’elenco qui.

Per Redwood Materials, le file di scatole di cartone nel suo parcheggio di ghiaia rappresentano sia il passato sia il futuro dei veicoli elettrici. Lo spazio di stoccaggio improvvisato si estende per oltre 10 acri nel nuovo sito di riciclo delle batterie di Redwood, appena fuori Reno, in Nevada. La maggior parte delle scatole ha le dimensioni di una lavatrice ed è avvolta da una plastica bianca. Ma alcune sono aperte e rivelano il loro contenuto: tastiere wireless, giocattoli dismessi, pezzi di batterie di Honda Civic usate.

Lungi dall’essere spazzatura, i materiali delle batterie presenti in tutti questi oggetti scartati sono un premio: i metalli sono ingredienti preziosi che potrebbero essere fondamentali per soddisfare la crescente domanda di veicoli elettrici.

Redwood Materials fa parte di un numero sempre più alto di aziende di riciclo che lavorano per fornire un’alternativa alla discarica per le batterie agli ioni di litio utilizzate nei dispositivi elettronici e nei veicoli elettrici. L’azienda ha annunciato i suoi piani per questo impianto da 3,5 miliardi di dollari a Reno a metà del 2022. Si prevede che produrrà materiale per 1 milione di batterie EV agli ioni di litio entro il 2025, per poi arrivare a 5 milioni entro il 2030. Redwood prevede di avviare la costruzione di un altro impianto negli Stati Uniti orientali nel 2023.

Nel frattempo, l’azienda canadese Li-Cycle gestisce attualmente quattro impianti commerciali che possono riciclare complessivamente circa 30.000 tonnellate di batterie all’anno, con altri tre siti in programma. Anche altre startup statunitensi, come l’American Battery Technology Company, hanno annunciato grandi test commerciali, unendosi a un mercato del riciclo già consolidato in Cina e in Europa.

Se da un lato queste nuove iniziative di riciclo sono migliori per l’ambiente rispetto al seppellimento dei metalli nelle discariche, dall’altro sono anche stimolate dal boom del mercato dei veicoli elettrici. L’adozione dei veicoli elettrici sta esplodendo negli Stati Uniti e in tutto il mondo, portando una nuova domanda di metalli per le loro batterie, in particolare litio, nichel e cobalto. Si prevede che i veicoli elettrici rappresenteranno il 13% delle vendite di veicoli nuovi nel 2022, un numero che dovrebbe salire a circa il 30% entro il 2030. Per rifornire le batterie di tutte queste auto saranno necessari molti più metalli di quelli attualmente disponibili.

Entro il 2035 potrebbero essere necessarie più di 200 nuove miniere per fornire materiale sufficiente solo per il cobalto, il litio e il nichel necessari per le batterie EV. La produzione di litio dovrà crescere di 20 volte per soddisfare la domanda di veicoli elettrici entro il 2050.

Il riciclo potrebbe rappresentare una nuova importante fonte di materie prime. A livello globale, nel 2021 c’erano oltre 600.000 tonnellate di batterie agli ioni di litio riciclabili e relativi scarti di produzione. Secondo la società di consulenza Circular Energy Storage, questo numero dovrebbe raggiungere 1,6 milioni di tonnellate entro il 2030. E la situazione potrebbe davvero decollare dopo, quando la prima generazione di auto elettriche si dirigerà verso gli sfasciacarrozze.

I nuovi progressi nel processo di riciclo delle batterie agli ioni di litio stanno trasformando il settore, consentendo agli operatori di separare e recuperare una quantità di metalli preziosi tale da rendere il processo economico. La pratica del riciclo non può risolvere da sola la carenza di materiale, perché la domanda di metalli supera la quantità in circolazione nelle batterie utilizzate oggi. Ma grazie a questi progressi, nei prossimi decenni potrebbe rappresentare una frazione significativa dell’offerta.

Quando l’ho visitata a settembre, Redwood si stava preparando a spedire il suo primo prodotto, un piccolo campione di foglio di rame utilizzato negli anodi delle batterie. Il foglio viene inviato al produttore di batterie Panasonic per essere utilizzato nella Gigafactory del Nevada, che produce celle per i veicoli Tesla a meno di cinque miglia di distanza.

Mentre andavo alla fabbrica di Redwood, ho visto balle di rovi rotolare sull’autostrada e alcuni cavalli selvatici della zona oziare sul fianco di una collina. Più tardi, ho visto un coyote attraversare il parcheggio.

Ma lungo la strada sterrata del sito industriale, l’atmosfera da Vecchio West sono rapidamente scomparse, sostituite da un     senso di fretta e urgenza irradiato da quasi tutti. Diversi imponenti edifici erano in costruzione, e ingegneri e operai edili con giubbotti di sicurezza e elmetti si affrettavano intorno al cantiere, infilandosi tra rimorchi temporanei che fungevano da uffici di fortuna, laboratori e sale riunioni.

Una volta terminata la costruzione, lo stabilimento di Redwood produrrà due prodotti principali: il foglio di rame per gli anodi e una miscela di litio, nichel e cobalto nota come materiale attivo per i catodi. Questi componenti rappresentano oltre la metà del costo delle celle delle batterie. Secondo le previsioni di Redwood, entro il 2025 l’impianto ne produrrà una quantità sufficiente per realizzare batterie per oltre un milione di veicoli elettrici all’anno.

In fondo alla collina dei rimorchi, l’edificio per la produzione di lamine di rame era il più avanzato, con un tetto e dei muri; una macchina per la produzione delle lamine era nascosta in un angolo. Ma gli altri due edifici principali sembravano ancora lontani dal completamento: a uno mancavano le mura, all’altro solo le fondamenta.

Redwood ha grandi progetti e molti lavori in corso.

“Un senso di paranoia”

Redwood Materials è stata fondata da JB Straubel, che in qualità di direttore tecnico di Tesla all’inizio degli anni 2010 ha guidato molti dei progressi dell’azienda nel campo delle batterie, compreso l’avvio della rete di stazioni di ricarica. Ma anche se Tesla stava trasformando il modo in cui le auto elettriche venivano prodotte e vendute, Straubel era preoccupato per l’eccessiva necessità di materiali per le batterie. Iniziò a pensare a come abbassare il costo delle batterie e contribuire a ridurre le emissioni di carbonio associate alla loro produzione.

Straubel ha avviato Redwood mentre lavorava ancora presso Tesla (ha lasciato l’azienda nel 2019); voleva, come dice lui stesso, creare un’azienda di materiali per batterie sostenibile. Oggi parla della sua missione con un visibile eccitamento e con la precisione di un ingegnere, a volte fermandosi nel bel mezzo di un pensiero per ricominciare da capo mentre spiega la sua visione del futuro della produzione di batterie.

“Non può funzionare se non c’è un ciclo chiuso per le materie prime”, dice. “Non ci sono abbastanza materie prime nuove per continuare a costruire e gettare via”.

Redwood utilizza un processo chiamato idrometallurgia per recuperare i metalli preziosi come cobalto, litio e nichel dalle batterie che raccoglie.

Creare un ciclo chiuso di materiali, in cui le vecchie batterie diventano materia prima per quelle nuove, sembra un’idea ovvia, ma realizzarla non è banale. “Non si tratta solo di un problema di selezione o di gestione dei rifiuti”, spiega Straubel.

La separazione chimica dei metalli cruciali contenuti nelle batterie è un compito intricato. Laboratori, startup e aziende affermate sono tutti alla ricerca del processo ideale per recuperare la massima quantità possibile di materiali preziosi nella forma più pura possibile.

I dettagli su come Redwood risolve questo problema sono strettamente riservati: sono l’ingrediente segreto dell’azienda. Ma anche il suo processo è ancora in corso d’opera e l’urgenza di capirlo è evidente.

“Ho questo senso di paranoia e di urgenza e quasi – non esattamente – di panico, che non è utile. In realtà deriva da una profonda sensazione che non credo che stiamo interiorizzando in modo appropriato quanto sarà grave il cambiamento climatico”, dice Straubel.

“In generale non credo che stiamo andando abbastanza veloci. Credo che nessuno lo faccia”.

Il ruolo del riciclo

La maggior parte degli impianti di riciclo delle batterie agli ioni di litio utilizza una serie di processi chimici chiamati idrometallurgia, in cui i materiali presenti nelle batterie vengono dissolti e separati utilizzando una serie di acidi e solventi. Oltre al nichel, al cobalto e ad altri materiali come la grafite e il rame, i recenti sviluppi hanno permesso all’idrometallurgia di recuperare anche il litio ad alti livelli.

Lo smontaggio a mano non sarà l’ideale quando l’azienda inizierà a ricevere più materiali, afferma Andy Hamilton, vicepresidente della produzione di Redwood. Alla fine, Redwood spera di automatizzare maggiormente questo processo di smistamento, anche se la costruzione di sistemi automatizzati in grado di gestire la varietà di batterie che l’azienda riceve sarà probabilmente una sfida. 

Dopo un’ulteriore lavorazione, i materiali recuperati possono essere utilizzati in nuovi prodotti. Mentre alcuni materiali, come la plastica, possono degradarsi nel tempo con il riciclo, i ricercatori hanno scoperto che i metalli recuperati dalle batterie funzionano altrettanto bene di quelli estratti per caricare e immagazzinare energia.

Molte batterie che arrivano a Redwood devono essere smontate a mano prima di essere trattate. Questo è il caso delle batterie che arrivano in pacchi batteria completi per veicoli elettrici, che hanno le dimensioni di un materasso e sono troppo grandi per le attrezzature di Redwood, così come delle batterie ancora attaccate ai loro prodotti, come computer portatili o utensili elettrici. Tutti questi tipi di batterie contengono generalmente litio, nichel e cobalto, anche se le quantità relative variano; le batterie dei dispositivi elettronici di consumo, ad esempio, tendono ad essere più ricche di cobalto rispetto a quelle dei veicoli elettrici.

Lo smontaggio a mano non sarà l’ideale quando l’azienda inizierà a ricevere più materiali, afferma Andy Hamilton, vicepresidente della produzione di Redwood. Alla fine, Redwood spera di automatizzare maggiormente questo processo di smistamento, anche se la costruzione di sistemi automatizzati in grado di gestire la varietà di batterie che l’azienda riceve sarà probabilmente una sfida. 

Dopo lo smistamento e lo smontaggio, le batterie ancora cariche possono essere poste su un nastro trasportatore per giungere in una delle quattro enormi camere per un processo chiamato calcinazione, in cui le batterie vengono cotte ad alte temperature per scaricarle e rimuovere i solventi.

Il materiale viene quindi ridotto in polvere prima di entrare nel processo idrometallurgico per separare i singoli elementi.

Nonostante i recenti progressi tecnici, il riciclo non riuscirà a soddisfare la domanda di materiali per batterie in tempi brevi, sostiene Alissa Kendall, energy systems researcher alla University of California, Davis. Poiché la domanda continua a crescere in modo esponenziale, le batterie riciclate rappresenteranno al massimo circa la metà dell’offerta di nichel e litio entro il 2050.

Tuttavia, con l’evoluzione della chimica delle batterie, questa percentuale potrebbe cambiare, come sta già accadendo per il cobalto. Oggi le batterie dei veicoli elettrici contengono meno cobalto di un tempo e i produttori di celle stanno continuamente trovando il modo di utilizzare una quantità ancora minore di questo costoso metallo. Di conseguenza, secondo Kendall, il cobalto riciclato potrebbe costituire l’85% della fornitura necessaria entro il 2040.

Anche se il riciclo non può sostituire completamente l’estrazione mineraria, la riduzione della necessità di altre miniere potrebbe ridurre l’onere sociale e ambientale della produzione di nuove batterie. Molti metalli per le batterie vengono estratti in Africa, Asia e America centrale e meridionale. Secondo l’International Energy Agency, l’estrazione mineraria in queste regioni è spesso associata a violazioni dei diritti umani, tra cui il lavoro forzato e minorile, e a un notevole inquinamento dell’aria e dell’acqua.

In attesa dello tsunami di batterie

Alcuni operatori del settore del riciclo delle batterie sostengono che l’industria non avrà bisogno di un grande sostegno politico, poiché i materiali contenuti nelle batterie avranno un valore sufficiente a giustificarne il riciclo. Ma le recenti mosse politiche negli Stati Uniti potrebbero dare un ulteriore impulso a operatori come Redwood.

Poiché l’impianto di produzione di Redwood si trova negli Stati Uniti, l’azienda potrebbe beneficiare dei crediti d’imposta sulla produzione previsti dal recente Inflation Reduction Act. L’IRA stimolerà anche la domanda di materie prime da parte di aziende come Redwood. Affinché le automobili possano beneficiare dei crediti d’imposta di 7.500 dollari, le case automobilistiche dovranno procurarsi i materiali e produrre le batterie negli Stati Uniti o con partner di libero scambio.

I critici hanno avvertito che l’industria potrebbe non essere in grado di rispettare i tempi previsti per questi crediti d’imposta per i veicoli elettrici, soprattutto per quanto riguarda l’approvvigionamento dei materiali, poiché la costruzione di nuove miniere può richiedere fino a un decennio. Un impianto di riciclo, invece, potrebbe essere costruito più rapidamente e alcuni indicano il riciclo come una possibile strada per i produttori di batterie e auto che sperano di qualificarsi per i crediti.

Altri governi stanno valutando la possibilità di introdurre ulteriori normative per incentivare il riciclo delle batterie. In Europa, la legislazione proposta di recente include disposizioni come l’obbligo per i produttori originali di una batteria di esserne responsabili alla fine del suo ciclo di vita. L’UE ha anche preso in considerazione la possibilità di richiedere che le nuove batterie abbiano una certa frazione di contenuto riciclato.

L’ondata di vecchie batterie per veicoli elettrici prevista per i prossimi decenni è per ora solo uno stillicidio, dato che solo un piccolo numero di veicoli elettrici sta uscendo di strada.

Circa la metà di ciò che Redwood accetta oggi non è mai stato utilizzato in un prodotto. Il materiale varia da batterie assemblate e caricate che non hanno superato i controlli di qualità a ciò che resta di una lamiera una volta tagliati i pezzi desiderati. Ogni giorno arrivano presso gli impianti di Redwood due semirimorchi con gli scarti di produzione della Gigafactory di Tesla/Panasonic.

Redwood ha anche fatto quella che Straubel definisce una scelta “pragmatica” di includere nei suoi prodotti metalli appena estratti. Il nichel e il litio contenuti nel primo lotto di materiale attivo per catodi proverranno solo per il 30% da fonti riciclate, mentre il resto sarà estratto dalle miniere.

L’obiettivo è essere pronti quando arriverà lo tsunami delle batterie, dice Straubel, e questo significa ottimizzare il processo di riciclo fin da ora.

Il percorso da seguire

Mentre la costruzione continuava nel sito più grande, ho visitato la sede centrale di Redwood a Carson City, dove i suoi scienziati stanno ancora sperimentando il processo di idrometallurgia.

Dalla fine degli anni ’90, i ricercatori si sono impegnati a utilizzare la chimica per recuperare i metalli dai materiali delle batterie agli ioni di litio. In Cina le aziende si sono mosse più rapidamente, costruendo una rete capillare di centri di riciclo con il sostegno del governo.

Ma progettare un sistema in grado di recuperare livelli elevati di tutti i metalli più costosi presenti nelle batterie non è stato facile. Il litio si è rivelato particolarmente difficile. Straubel afferma che dei quattro metalli su cui Redwood si concentra maggiormente, può raggiungere quasi il 100% di recupero di cobalto, rame e nichel. Per il litio, la percentuale è di circa l’80%.

Anche il passaggio dal laboratorio alle condizioni reali può complicare ulteriormente le cose.

Mary Lou Lindstrom, responsabile dell’idrometallurgia di Redwood, mi ha mostrato lo spazio del laboratorio pilota di Carson City, che assomiglia a un’operazione di birra artigianale, con attrezzature in acciaio inossidabile distribuite in una stanza cavernosa. I ricercatori erano accalcati intorno a un computer e a uno dei grandi serbatoi metallici.

Lindstrom ha spiegato che stavano lavorando per produrre la materia prima per il primo lotto di fogli di rame commerciali; la produzione sarebbe stata avviata nelle settimane seguenti. La consegna a Panasonic è prevista per dicembre.

Un dettaglio tecnico ostacola ancora la visione di Straubel di un ecosistema di batterie a ciclo chiuso. Finora, il rame che Redwood utilizzava per produrre il foglio proveniva da scarti industriali di rame, non da batterie. L’azienda spera di utilizzare almeno un po’ di materiale per batterie nel foglio di rame che alla fine verrà consegnato a Panasonic per utilizzarlo in nuove celle. Ma i rottami di rame industriali sono un materiale più comodo con cui lavorare.

Questa transizione evidenzia un’importante sfida per chi ricicla le batterie: dovranno gestire input imprevedibili creando al contempo prodotti prevedibili e di alta qualità. Se i riciclatori di batterie sono in competizione per il materiale, questa sfida sarà amplificata, poiché le startup potrebbero essere costrette ad accettare materiale meno ideale per sopravvivere.

Per ora, Redwood può integrare i suoi processi con scarti di produzione, generalmente più facili da lavorare, e con materiale estratto. Ma con l’aumento dei volumi delle vecchie batterie e l’esaurimento delle scorte di litio estratto, le sfide per gli operatori del riciclo aumenteranno.

“Sempre più spesso la soluzione ad alcuni di questi problemi di sostenibilità è l’elettrificazione e l’aggiunta di una batteria”, afferma Straubel. “Ho trascorso la maggior parte della mia carriera sostenendo questo aspetto e contribuendo ad accelerarlo”.

“Allo stesso tempo”, dice, “è una quantità fenomenale di batterie”.

I veicoli elettrici e altre alternative di trasporto elettrificato stanno diventando una scelta pratica. In molte parti del mondo è già più economico possedere e guidare un veicolo elettrico di un’auto tradizionale. E questa è una buona notizia per il clima: nella maggior parte dei casi, i veicoli elettrici produrranno meno emissioni di gas serra nel corso della loro vita rispetto ai veicoli a gas.

Il riciclo pratico ed economico delle batterie è la chiave per realizzare la promessa dei veicoli elettrici. Sebbene la fornitura congrua di batterie esauste possa essere un processo lento, l’industria del riciclo si sta preparando per ciò che sta per arrivare, perché l’attuazione di questa nuova visione richiederà decenni di progresso e innovazioni costanti. Il parcheggio di Redwood pieno di batterie esauste è solo l’inizio.