Minerali essenziali all'innovazione delle batterie

La transizione energetica globale e la tendenza all'elettrificazione stanno potenziando la mobilità e l'adattabilità elettrica che includono, tra l'altro, l'adozione di veicoli elettrici (EV) e soluzioni di accumulo di energia rinnovabile. Queste tendenze hanno focalizzato l’attenzione delle industrie più all'avanguardia sulla tecnologia delle batterie. Grazie alla domanda in costante aumento in tutti i settori industriali, negli ultimi decenni la produzione di batterie è aumentata, portando alla scoperta di nuove fonti di minerali per batterie e al perseguimento di una maggiore efficienza nei processi e nelle tecnologie di produzione. 

Nella chimica delle batterie, è la combinazione di minerali a definire le prestazioni complessive. Per formare gli elettrodi e l’elettrolita di ogni cella vengono combinati vari elementi e composti la cui interazione determina le caratteristiche della batteria. Questa pagina ripercorre il percorso che seguono i minerali essenziali dal momento in cui vengono estratti a quando vengono inseriti nelle batterie che alimentano i sistemi mobili ed elettrici su cui si basa il mondo moderno. Inoltre, riconsidera le sfide che si presentano e le strategie da implementare per assicurare la stabilità della catena di fornitura. 

Le batterie agli ioni di litio (Li-ion) sono di gran lunga il tipo attualmente più diffuso. Queste batterie si basano su una complessa combinazione di minerali e materiali, ognuno dei quali definisce le proprietà uniche della batteria. Sebbene il litio sia il componente elementare più importante, per produrre celle agli ioni di litio sono necessari anche altri minerali.

Il catodo di una batteria incide su diverse e importanti caratteristiche prestazionali, tra cui la densità energetica, la potenza in uscita e la durata della cella.

Apprezzato per i suoi elevati livelli di densità energetica e stabilità, nei catodi delle celle delle batterie agli ioni di litio viene comunemente utilizzato il cobalto, soprattutto per i veicoli elettrici. Tuttavia, l'estrazione del cobalto presenta maggiori problematiche etiche rispetto a gran parte degli altri minerali per batterie e ciò impone ai produttori responsabili di tracciare le origini della loro catena di fornitura e di controllare il comportamento responsabile delle parti interessate a monte. L’Unione Europea, ad esempio, ha implementato normative sui cosiddetti minerali provenienti da zone di conflitto. Il loro obiettivo è quello di limitare l’uso di minerali che finanziano conflitti armati o che vengono estratti in condizioni che violano i diritti umani.

Anche il nichel viene spesso utilizzato nei catodi agli ioni di litio e assicura una capacità energetica ancora più elevata sia in peso che in volume. Tuttavia, l’estrazione del nichel solleva preoccupazioni ambientali a causa del suo potenziale impatto sugli ecosistemi sensibili. Questi effetti possono includere la deforestazione, la perdita di habitat e l'inquinamento delle acque nelle regioni oceaniche da cui proviene prevalentemente il minerale, come l'Indonesia e le Filippine. Proprio per queste ragioni, il famoso costruttore statunitense di veicoli elettrici Tesla ha dichiarato che in futuro abbandonerà le batterie agli ioni di litio a base di nichel.

Il manganese è più abbondante e meno costoso del nichel e del cobalto ma non ha la stessa densità energetica in peso o in volume. Tuttavia, proprio questa caratteristica lo rende meno reattivo o incline a prendere fuoco e quindi più sicuro da utilizzare in particolari tipi di batterie agli ioni di litio, come quelle al litio-manganese fosfato. Di conseguenza, i produttori di utensili elettrici e altri produttori attenti ai costi preferiscono spesso questo minerale per le loro batterie.

Gli anodi formano l'elettrodo negativo di una batteria, costituito principalmente da grafite, un allotropo del carbonio facilmente disponibile ed economico. Tuttavia, anche l'estrazione della grafite solleva questioni ambientali, tra cui il potenziale inquinamento da polvere, la contaminazione delle acque e il degrado del suolo. Affrontare queste problematiche è quindi fondamentale per operazioni sostenibili.

In alcune batterie ad alta densità più recenti, l'anodo è realizzato in silicio anziché in grafite, grazie alla sua capacità di immagazzinare maggiori quantità di ioni di litio. Per il settore dei veicoli elettrici, ciò significa poter aumentare l'autonomia e la velocità di ricarica. Tuttavia, la tendenza del silicio a espandersi e contrarsi durante i cicli di ricarica e scarica rappresenta un rischio per la sicurezza che deve essere mitigato in fase di costruzione delle celle.

L’elettrolita tra il catodo e l’anodo di una batteria favorisce il flusso degli ioni. Generalmente è composto da sali di litio disciolti in solventi organici. L'esafluorofosfato di litio, generato dalla reazione del fluoruro di litio con altri solventi, domina attualmente il mercato degli elettroliti agli ioni di litio ma i ricercatori stanno studiando anche sali di litio alternativi ed elettroliti allo stato solido.

Il litio si trova più frequentemente nei depositi di salamoia del Sud America e nelle formazioni australiane di roccia dura. Di solito, viene estratto attraverso bacini di evaporazione su larga scala o metodi di estrazione convenzionali. Entrambi questi approcci richiedono particolare attenzione per minimizzare i danni alle risorse idriche e agli ecosistemi locali.

A differenza di molti metalli, il litio non viene raffinato in uno stato metallico ma piuttosto in composti solubili ad alta purezza come il carbonato o l'idrossido di litio.

L'estrazione dalla salamoia richiede che i sali di litio contenuti nelle salamoie sotterranee arrivino a concentrazioni comprese tra 200 e 1400 mg/l utilizzando, in genere, grandi bacini di evaporazione. Impiegato su larga scala, si tratta di un processo che richiede molto tempo e molta acqua.

Nella salamoia concentrata viene innescata una serie di reazioni chimiche che fanno precipitare i composti indesiderati. La successiva cristallizzazione consente di estrarre il carbonato di litio. Un attento monitoraggio di queste reazioni e la necessaria efficienza dei processi di filtrazione sono fondamentali per massimizzare il recupero del litio e ridurre al minimo gli sprechi.

In alternativa, è possibile ricorrere all'estrazione diretta del litio che rappresenta un mezzo più sostenibile per ottenere il litio dalla salamoia senza bacini di evaporazione. Questo processo si avvale di materiali adsorbenti con un'affinità per il litio, tra cui minerali argillosi e resine a scambio ionico per raccogliere dalla salamoia i solventi ricchi di litio. Quando sono saturi di ioni di litio, gli adsorbenti vengono sottoposti a desorbimento e la soluzione di litio viene raccolta. Purtroppo, si tratta di un processo non ancora praticabile su larga scala e quindi non sufficiente a soddisfare la domanda commerciale di litio.

Questo processo prevede l'estrazione del minerale di spodumene dalla roccia dura, la sua frantumazione e la successiva conversione in beta-spodumene tramite riscaldamento ad alta temperatura in forni rotanti. In termini di consumo di energia, è un trattamento piuttosto dispendioso.

Una volta convertito, il minerale subisce una serie di reazioni chimiche - come avviene per l'estrazione dalla salamoia - che rimuovono gradualmente le impurità. E questo fino a quando rimane solo carbonato di litio, con sottoprodotti minori a basse concentrazioni. Il composto deve poi essere ulteriormente purificato aggiungendo una soluzione di bicarbonato di litio, filtrandolo e riscaldandolo nuovamente fino a ottenere carbonato di litio di qualità adatta alla produzione di batterie. Questo livello di qualità è noto come "cinque nove" ovvero deve avere una purezza del 99,999%.

Come il litio, anche gli altri minerali per batterie devono essere raffinati fino a raggiungere la purezza adatta alla produzione delle celle delle batterie. Generalmente, ciò richiede una serie di trasformazioni chimiche e fisiche che variano a seconda del minerale specifico e dell'applicazione prevista. Mentre la raffinazione del litio prevede numerose fasi di purificazione e filtrazione, il cobalto e il nichel vengono separati attraverso complessi processi pirometallurgici o idrometallurgici.

Dopo la raffinazione, i materiali ad alta purezza vengono utilizzati per produrre i componenti delle batterie. I materiali del catodo e dell'anodo vengono sintetizzati attraverso accurati processi di miscelazione, riscaldamento e rivestimento, ognuno dei quali richiede operazioni affidabili di misura e controllo qualità in grado di garantire le massime prestazioni delle batterie. 

Gli elettroliti vengono prodotti sciogliendo accuratamente i sali di litio in solventi puri e limitando, nel contempo, l'infiltrazione di umidità per prevenire il degrado delle batterie e i rischi per la sicurezza. Successivamente, questi componenti convergono e vengono stratificati, avvolti e sigillati ermeticamente per evitare perdite e garantirne la durata nel tempo.

Durante l'assemblaggio, le singole celle vengono combinate in pacchi e moduli batteria concepiti per applicazioni specifiche, tra cui smartphone, veicoli elettrici e sofisticati sistemi di gestione delle soluzioni di alimentazione a batteria.

Il percorso che devono compiere i minerali delle batterie non finisce con il loro primo utilizzo. Dato che l’industria e l’opinione pubblica sanno bene che queste risorse non sono infinite e riconoscono l’impatto ambientale delle attività di estrazione e lavorazione, la spinta ad abbracciare i principi dell'economia circolare è sempre più forte. Per raggiungere questo obiettivo è però necessario migliorare la fattibilità delle operazioni di riciclo delle batterie, consentendo il recupero di minerali preziosi dalle apparecchiature a fine vita. Ciò riduce la dipendenza dall'estrazione mineraria e compensa le vulnerabilità della catena di fornitura.

Con l'aumento della domanda di batterie agli ioni di litio, è fondamentale ottimizzare i processi di estrazione, produzione e riciclo dei minerali per garantire operazioni sempre sostenibili e ridurre al minimo i danni ambientali. Le misure da prendere in considerazione includono l’implementazione di solide strategie di gestione idrica, il rigoroso rispetto delle normative ambientali locali e gli investimenti, da parte delle società minerarie e delle altre parti interessate, nell’estrazione diretta del litio.

La produzione dei minerali per batterie rappresenta perfettamente la natura interconnessa di tecnologia, ambiente e contesto sociale. Mentre l’umanità affronta la grande transizione energetica e avanza collettivamente verso obiettivi di neutralità carbonica, l’industria deve integrare etica, protezione ambientale e redditività nelle sue strategie di sostenibilità a lungo termine. In questo campo, il successo richiede progressi tecnologici, approvvigionamento etico delle materie prime e una produzione sostenibile nel suo complesso.