Il brevetto ENEA permetterà di sviluppare materiali alternativi alla grafite ed è utile negli impianti di riciclo di pannelli dismessi e negli stessi stabilimenti di produzione.
Da rifiuti a risorse. ENEA ha brevettato un processo a basso impatto ambientale per recuperare il silicio da pannelli fotovoltaici a fine vita e trasformarlo in un nanomateriale innovativo, utile per lo sviluppo di batterie meno costose, più performanti e durature. Oltre che per la produzione delle batterie, il brevetto è utile negli impianti di riciclo di pannelli fotovoltaici dismessi e negli stessi stabilimenti di produzione di pannelli fotovoltaici, ad esempio, per recuperare il silicio da pannelli difettosi.
Il processo messo a punto da ENEA consente di ridurre la polvere di silicio a dimensioni nanometriche utili per l’applicazione nelle batterie al litio e, allo stesso tempo, di eliminare le componenti del silicio ormai ossidate e a bassa conducibilità elettrica. In questo modo il silicio ottenuto, caratterizzato con differenti tecniche diagnostiche e mescolato con altri materiali, viene poi utilizzato per creare un nuovo tipo di anodo, per batterie al litio ad elevata densità di energia. L’importanza del brevetto nasce dal fatto che il silicio è il materiale semiconduttore di riferimento per la produzione di pannelli fotovoltaici perché consente di convertire l’energia solare in energia elettrica con la massima efficienza e affidabilità.
Per le sue molteplici applicazioni nei settori energia, elettronica, metallurgia, fino alla componentistica ad alta tecnologia, il silicio è tra i materiali più strategici al mondo e, pur essendo disponibile in abbondanza in natura, la sua produzione a partire dall’ossido di silicio risulta altamente energivora e ad elevato impatto ambientale.
“Attualmente il tasso di riciclo del silicio in Europa è pari a zero e per questo risulta estremamente utile poterlo recuperare dai pannelli fotovoltaici dismessi e re-immetterlo in differenti filiere, grazie a tecnologie di recupero a basso impatto ambientale, offrendo una modalità sostenibile di approvvigionamento di questo prezioso materiale” – sottolinea Maria Lucia Protopapa del Laboratorio Materiali funzionali e tecnologie per applicazioni sostenibili del Centro Ricerche ENEA di Brindisi – “In questo modo potremo sviluppare materiali alternativi alla grafite, anch’essa materiale critico, attualmente utilizzata nelle batterie commerciali, e rispondere quindi alla domanda crescente di batterie con densità di energia sempre più elevata”.
A livello operativo, dopo la rimozione della cornice di alluminio, del vetro di protezione del pannello, dei cavi e della scatola di giunzione, si procede con un pretrattamento che consiste nella macinazione dei pannelli fotovoltaici. Si ottengono tre diverse frazioni di materiali: frammenti vetrosi, agglomerati di EVA (un materiale plastico vinilico) e una terza frazione composta da scaglie di silicio e strati polimerici, i cosiddetti “solar chips”, da cui, tramite pirolisi, si estrae il silicio. I test elettrochimici hanno mostrato che il silicio ottenuto con questo processo è in grado di formare leghe con il litio e può quindi essere utilizzato per realizzare anodi ad elevata capacità per batterie dotate di prestazioni migliori rispetto a quelle commerciali realizzate in grafite.
La potenza fotovoltaica installata nel mondo è aumentata esponenzialmente a partire dal 1990 e alla fine del 2022 ha raggiunto 1047 GW (Irena, 2023), con trend in aumento pari a 18.200 GW entro il 2050. Dal momento che il tempo di vita di un pannello fotovoltaico è di circa 25-30 anni, nel 2050 sono previsti su scala mondiale circa 60-78 milioni di tonnellate di pannelli da smaltire.
Gli autori del brevetto ENEA sono Maria Lucia Protopapa, Michele Penza, Emiliano Burresi, Daniela Carbone, Martino Palmisano, Emanuela Pesce, Giovanni Battista Appetecchi, Selene Grilli, Elena Salernitano, Dario Della Sala.
Come è fatto un pannello fotovoltaico a base di silicio? – Il pannello fotovoltaico è costituito dalla cella fotovoltaica di silicio inglobata tra due strati di colla (EVA) che fanno aderire la cella superiormente al vetro ed inferiormente ad uno foglio di plastica, chiamato backsheet. Sia il vetro che il backsheet svolgono la funzione di proteggere la cella da fattori ambientali quali pioggia, vento, grandine, polvere. Questo multistrato viene quindi racchiuso in una cornice di alluminio. I pannelli fotovoltaici dismessi costituiscono una risorsa di materiali utili e preziosi (silicio, argento, rame, alluminio). Alcuni di essi, come il silicio, sono classificati dall’Unione Europea come materiali strategici, ossia materiali idonei ad essere impiegati in tecnologie anche molto sofisticate, difficilmente sostituibili, in aree con un’elevata importanza strategica, come quella delle energie rinnovabili, il digitale, l’aerospazio e le tecnologie di difesa, ma sono a rischio per future carenze di approvvigionamento, con squilibri tra domanda e offerta globale.
