Produzione sostenibile di nichel per batterie tramite riduzione con idrogeno del saprolite

Ripulire il nichel dietro le auto elettriche

Il nichel è un instancabile lavoratore della tecnologia moderna, in particolare nelle batterie ad elevate prestazioni che alimentano i veicoli elettrici. Eppure la produzione di questo metallo è sorprendentemente inquinante, emettendo grandi quantità di anidride carbonica. Questo studio esplora un modo per ottenere nichel “di qualità per batterie” con emissioni molto inferiori sostituendo il carbone con gas di idrogeno in un passaggio chiave della fusione, riducendo potenzialmente l’impronta climatica della rivoluzione dell’auto elettrica.

Perché questo tipo di minerale di nichel è importante

Gran parte del nichel mondiale proviene da rocce tropicali alterate chiamate lateriti. Una varietà principale, il saprolite, è ricca di silicati contenenti magnesio e tipicamente contiene oltre l’1,5% di nichel. Oggi quasi tutto il saprolite viene trattato con una via ad alta temperatura nota come processo forno rotante–forno elettrico (RKEF), che brucia carbone sia come combustibile sia come agente riducente chimico. A seconda delle condizioni, questo può emettere da circa 30 fino a oltre 60 tonnellate di anidride carbonica per ogni tonnellata di nichel prodotta. Alternative come le lisciviazioni aggressive con acidi sono spesso ancora più intensive in termini di carbonio. Con la domanda di nichel in forte crescita per i veicoli elettrici e l’intensificarsi del controllo ambientale, c’è una forte pressione per trovare tecnologie di fusione più pulite.

Usare idrogeno invece del carbone

I ricercatori si sono concentrati su un’alternativa promettente: usare gas idrogeno, anziché carbone, per rimuovere l’ossigeno dai minerali contenenti nichel e ferro nel saprolite. Hanno costruito un reattore rotante in acciaio lungo un metro che imita il movimento e il contatto gas–solido di un forno industriale. Saprolite finemente macinato della Nuova Caledonia è stato alimentato in questa camera, che è stata prima riscaldata con azoto e poi esposta a un flusso controllato di idrogeno quasi puro a temperature tra 800 e 950 °C. Monitorando con cura la perdita di peso e i cambiamenti nella struttura mineralogica, hanno potuto osservare la velocità e il grado di riduzione del minerale sotto diverse condizioni operative, come temperatura, flusso di gas e dimensione delle particelle.

Perché la dimensione delle particelle è la leva nascosta

Analisi mineralogiche e chimiche dettagliate hanno mostrato che le particelle grossolane sono più ricche di silicati di magnesio, mentre le particelle fini contengono proporzionalmente più minerali di ferro, ma il nichel in sé è distribuito quasi uniformemente tra tutte le dimensioni dei granuli. Ciò significa che la separazione fisica dei minerali contenenti nichel non è pratica: l’intero minerale deve essere trattato insieme. Durante il trattamento con idrogeno a 900 °C, i campioni hanno perso rapidamente circa il 20% della loro massa — un segnale combinato di rilascio di acqua dai minerali riscaldati e rimozione di ossigeno durante la formazione del metallo. Sorprendentemente, questa perdita di massa ha raggiunto il valore finale in appena 15 minuti e è cambiata poco con tempi più lunghi. Invece, due fattori fisici hanno dominato le prestazioni: il flusso di gas e la dimensione delle particelle. Una volta che il flusso di idrogeno ha superato circa 3 litri al minuto, fornire più gas non ha apportato benefici aggiuntivi. Al contrario, macinare il minerale più finemente ha dato un forte aumento: le particelle più piccole, sotto i 45 micrometri, hanno ottenuto la riduzione più elevata e rapida, perché l’idrogeno poteva diffondersi più facilmente attraverso il sottile reticolo silicato per raggiungere gli atomi di nichel e ferro intrappolati all’interno.

Dal minerale ridotto al metallo di qualità per batterie

Per verificare se questo minerale trattato con idrogeno potesse dare un prodotto utilizzabile, il team ha fuso la polvere ridotta in un forno verticale ad alta temperatura sotto atmosfera inerte di argon. A 1550 °C, il materiale si è separato nettamente in due strati: una lega densa ferro–nichel che è affondata sul fondo e una scoria più leggera, ricca di magnesio, che è galleggiata in superficie. Immagini microscopiche e mappature chimiche hanno confermato che lo strato metallico conteneva circa il 73% di ferro e il 25% di nichel — tipico del nickel pig iron industriale — mentre la scoria era in gran parte priva di metallo. Poiché la lega è fortemente magnetica, poteva essere separata completamente con semplici apparecchiature magnetiche, indicando una via efficiente dall’estratto al materiale pronto per la fusione senza aggiungere sostanze chimiche o riducenti solidi supplementari.

Cosa significa questo per batterie più pulite

Per chi non è specialista, il messaggio chiave è che il modo in cui trattiamo il nichel può diventare molto più pulito senza cambiare il tipo di minerale che estraiamo. Macinando finemente il saprolite ed esponendolo a un flusso vigoroso di idrogeno intorno ai 900 °C, il minerale può essere trasformato in pochi minuti in un materiale che fonde in nickel pig iron di alta qualità, con una netta separazione tra metallo e roccia di scarto. Poiché l’idrogeno produce acqua invece di anidride carbonica quando compie la “decomplessazione” chimica, questo approccio potrebbe ridurre drasticamente le emissioni della fusione del nichel se alimentato da energia a basse emissioni di carbonio. Lo studio definisce la finestra operativa — temperatura, flusso di gas e dimensione delle particelle — che gli ingegneri possono usare per progettare impianti a basse emissioni, e sottolinea il passo successivo: testare questo processo a base di idrogeno in caldaie pilota continue per dimostrare che un nichel più verde può essere prodotto in modo affidabile e su scala industriale.

Citazione: Park, T., Han, S., Lee, W. et al. Sustainable production of battery-grade nickel via hydrogen reduction of saprolite. Sci Rep 16, 5553 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36516-z

Parole chiave: batterie al nichel, fucinazione con idrogeno, metalli a basse emissioni, minerale lateritico, materiali per veicoli elettrici