Spettroscopia a fluorescenza X per l’identificazione rapida della chimica del catodo nel riciclo delle batterie agli ioni di litio

Perché le batterie vecchie contano ancora

Dagli smartphone alle auto elettriche, le batterie agli ioni di litio alimentano discretamente le nostre vite — e alla fine del loro ciclo si accumulano. All’interno di ogni batteria, il catodo contiene metalli preziosi come nichel, cobalto e manganese che vogliamo recuperare invece di estrarre da nuove miniere. Ma i riciclatori devono prima sapere esattamente che tipo di catodo è presente in ciascuna cella sigillata, e i metodi attuali sono lenti, ingombranti o richiedono lo smontaggio delle batterie. Questo studio esplora un modo rapido e non distruttivo per “vedere” attraverso le carcasse delle batterie usando la fluorescenza a raggi X, offrendo un potenziale punto di svolta per il riciclo su larga scala.

Guardare dentro senza aprire

I ricercatori si sono rivolti alla fluorescenza a raggi X (XRF), una tecnica in cui raggi X ad alta energia colpiscono un materiale e inducono gli atomi a emettere i propri segnali X caratteristici. Questi segnali funzionano come impronte elementari, rivelando quali metalli sono presenti. Fondamentalmente, l’XRF può spesso sondare attraverso l’involucro metallico o in foglio di una batteria senza aprirla. In questo lavoro, il team ha utilizzato una macchina XRF da banco operante a 50 kilovolt per scandire 108 batterie agli ioni di litio usate di forme diverse — celle a bottone, celle cilindriche e celle a busta piatta — raccolte in un centro di riciclo francese.

Dai segnali grezzi a gruppi chiari

Misurare semplicemente i segnali X non è sufficiente; gli spettri sono complessi e influenzati sia dal catodo che dalla custodia esterna. Per districare questo, il team ha utilizzato strumenti statistici che cercano schemi su molte batterie contemporaneamente. Si sono concentrati sulle intensità dei segnali di cinque metalli chiave — alluminio, manganese, ferro, cobalto e nichel — che aiutano a distinguere i tipi di catodi più comuni. Utilizzando l’analisi delle componenti principali e il clustering gerarchico, hanno raggruppato le 108 batterie in cinque cluster che riflettevano sia i loro formati fisici sia le chimiche sottostanti.

Verificare cosa significano davvero i gruppi

Per confermare cosa contenesse effettivamente ciascun gruppo, i ricercatori hanno aperto con attenzione tre batterie rappresentative per ogni cluster. Hanno esaminato le polveri dei catodi con microscopia elettronica, diffrazione a raggi X e una tecnica chimica più sensibile chiamata ICP-OES. Questi test distruttivi hanno rivelato quali materiali del catodo erano realmente presenti: le celle a bottone usavano principalmente biossido di litio–manganese; alcune celle a busta erano basate su ossido di litio–cobalto; altre e la maggior parte delle celle cilindriche facevano invece affidamento su miscele di ossidi ricchi di nichel, manganese e cobalto. È importante notare che, quando hanno addestrato un modello di classificazione sui dati XRF di alta qualità e poi lo hanno testato su scansioni molto brevi, di 5 secondi, il modello ha comunque assegnato correttamente tutte le batterie di test ai gruppi giusti con altissima fiducia.

Quando l’involucro aiuta — o nasconde — la visuale

Lo studio mostra anche che le custodie delle batterie non sono solo ostacoli; possono essere indizi. Gli involucri sottili laminati in alluminio delle buste lasciano fuggire più del segnale X del catodo, rendendo più facile leggere la chimica reale. Al contrario, le custodie spesse in acciaio inossidabile delle celle a bottone e cilindriche assorbono e sovrastano fortemente i segnali del catodo, quindi lo spettro XRF è dominato dall’acciaio stesso. Tuttavia, anche in questi casi, la composizione chimica della custodia e delle guaine plastiche — come la presenza di cloro o pigmenti a base di titanio — tendeva a correlare con particolari famiglie di catodi nel campione. Ciò significa che il sistema può talvolta usare l’involucro esterno come proxy quando i segnali diretti del catodo sono deboli, pur riconoscendo che tali correlazioni potrebbero non valere ovunque.

Smistamento più veloce per un’economia circolare delle batterie

Nel complesso, il lavoro dimostra che l’XRF combinata con un’analisi dati intelligente può smistare batterie esauste per tipo di catodo in pochi secondi, senza smontaggio, almeno per la gamma di celle commerciali studiate. Le celle a busta con catodi a base di cobalto puro, per esempio, possono essere individuate direttamente — utile per convogliare le batterie ricche di cobalto verso flussi di recupero specializzati. Sebbene il metodo non possa identificare perfettamente ogni possibile design e incontri difficoltà con custodie in acciaio molto spesse, offre una base pratica per linee di smistamento automatizzate e in tempo reale. Indirizzando rapidamente diverse chimiche di batteria verso processi di riciclo su misura, questo approccio potrebbe aiutare a recuperare più metalli critici, ridurre i costi di lavorazione e abbassare l’impronta ambientale del nostro crescente consumo di energia ricaricabile.

Citazione: Ren, F., Vidal, V., Campos, A. et al. X-ray fluorescence spectroscopy for rapid identification of cathode chemistry in lithium-ion battery recycling. Commun Eng 5, 67 (2026). https://doi.org/10.1038/s44172-026-00618-3

Parole chiave: riciclo delle batterie agli ioni di litio, identificazione del catodo, fluorescenza a raggi X, recupero di metalli critici, tecnologia di smistamento delle batterie