Raffinazione elettrochimica del litio: come Enso supporta la produzione di LiOH

Nel primo articolo di questa serie abbiamo approfondito perché raffinazione e riciclo del litio stanno diventando sempre più importanti per batterie, mobilità elettrica ed energy storage. Con la crescita della domanda di litio, la sfida non riguarda più soltanto l’accesso alle materie prime, ma diventa altrettanto importante trasformare i flussi contenenti litio in materiali per batterie di alta qualità, attraverso processi efficienti, scalabili e sempre più circolari.

Questo secondo articolo entra più nel dettaglio della tecnologia alla base di questa trasformazione.

Si parte da un principio semplice: il litio può essere presente in diversi flussi salini e questi sali possono essere separati tramite elettrolisi per ottenere idrossido di litio (LiOH).

In questo processo, due sali sono particolarmente rilevanti: litio cloruro (LiCl) e litio solfato (Li₂SO₄). Il litio cloruro può essere ottenuto da brine, comprese quelle estratte da depositi di salamoia presenti nei salar, cioè grandi distese saline tipiche di alcune regioni come il Sud America. Il litio solfato, invece, viene tipicamente generato attraverso il trattamento di minerali rocciosi come lo spodumene, oppure può essere presente in flussi associati al riciclo delle batterie. 

In entrambi i casi, la tecnologia De Nora è progettata per convertire il sale di litio in idrossido di litio monoidrato, la forma utilizzata nelle applicazioni per batterie. La configurazione dell’elettrolizzatore cambia a seconda del sale: per il litio cloruro si utilizza una cella a due comparti, mentre per il litio solfato si utilizza tipicamente una cella a tre comparti.

Questa flessibilità è importante perché Enso non è limitato a una sola materia prima contenente litio. È parte di una piattaforma più ampia di salt splitting, applicabile a diversi flussi industriali con l’obiettivo di convertire sali in prodotti chimici di valore e ridurre gli scarti.

Quando il materiale di partenza è il litio cloruro, il processo utilizza una cella elettrochimica a due comparti.

Il litio cloruro viene alimentato al lato anodico della cella. Durante l’elettrolisi, all’anodo si genera cloro gassoso. Lo ione litio migra attraverso una membrana a scambio cationico verso il comparto catodico, dove si combina con gli ioni idrossido per formare idrossido di litio. Al catodo viene prodotto anche idrogeno.

La reazione complessiva può essere sintetizzata così:

2LiCl + 2H₂O → 2LiOH + Cl₂ + H₂

Il valore industriale del processo non risiede soltanto nella produzione di LiOH, perché anche i sottoprodotti possono essere valorizzati. Cloro e idrogeno possono essere ricombinati per produrre acido cloridrico, che può essere riutilizzato negli step di processo a monte.

Questo è uno degli elementi di circolarità del processo: invece di utilizzare prodotti chimici costosi e generare scarti che devono essere gestiti o smaltiti, l’elettrochimica può produrre flussi potenzialmente utili all’interno della più ampia catena di processing del litio.

Quando il materiale di partenza è il litio solfato, il processo richiede solitamente una cella a tre comparti.

In questa configurazione, il litio solfato viene alimentato nel comparto centrale. Attraverso il processo elettrochimico, l’idrossido di litio viene prodotto al catodo, mentre all’anodo si forma acido solforico. Come parte del processo vengono generati anche ossigeno e idrogeno.

La reazione complessiva può essere sintetizzata così:

Li₂SO₄ + 3H₂O → 2LiOH + H₂SO₄ + ½O₂ + H₂

La produzione di acido solforico è particolarmente rilevante perché questo acido può essere riutilizzato nelle operazioni a monte, per esempio nel trattamento di minerali rocciosi contenenti litio come lo spodumene. In questo modo, lo step elettrochimico può supportare un processo più integrato, in cui i chemicals generati in una fase vengono riutilizzati in un’altra.

Questo rende il processing del litio solfato particolarmente rilevante non solo per la raffinazione primaria, ma anche per le route di riciclo, in cui i flussi contenenti litio possono essere recuperati dopo il trattamento dei materiali provenienti da batterie a fine vita.

La produzione convenzionale di idrossido di litio può coinvolgere diversi passaggi chimici. A seconda della materia prima di partenza, questi possono includere precipitazione, lavaggio, conversione in carbonato di litio, ulteriore reazione verso l’idrossido di litio, purificazione e una o più fasi di cristallizzazione.

La route elettrochimica mira a semplificare questa catena.

Nel caso del litio cloruro, il confronto interno di processo di De Nora mostra che diversi step della route convenzionale possono essere sostituiti da un unico stadio di elettrolisi. Nella route convenzionale, il litio cloruro può essere prima convertito in carbonato di litio, che viene poi cristallizzato, lavato, convertito in idrossido di litio e ulteriormente purificato. Con la conversione elettrochimica diretta, una brina purificata può essere alimentata all’elettrolizzatore e convertita direttamente in idrossido di litio.

Nel caso del litio solfato, si applica la stessa logica. La route elettrochimica può evitare passaggi intermedi di precipitazione solida e lavaggio, producendo in un unico processo idrossido di litio e acido solforico.

I potenziali benefici riguardano sia le spese in conto capitale (Capex), cioè l’investimento necessario per costruire l’impianto, sia i costi operativi (Opex), cioè i costi necessari per farlo funzionare nel tempo.

In primo luogo, meno step di processo possono significare un Capex più basso, perché l’impianto richiede meno unità e una minore complessità di processo. In secondo luogo, ridurre l’uso di reagenti chimici bulk può contribuire ad abbassare l’Opex, in funzione del prezzo dell’elettricità, del costo dei reagenti e dei costi di gestione degli scarti. In terzo luogo, il processo può ridurre o evitare alcuni sottoprodotti di scarto associati alle route convenzionali, sostituendoli con flussi chimici che possono essere recuperati o riutilizzati.

La tecnologia al centro dell’approccio De Nora alla raffinazione e al recupero del litio è Enso.

Enso è un elettrolizzatore a due o tre comparti progettato per processi di salt splitting. Nelle applicazioni per il litio, questo significa convertire litio cloruro o litio solfato in idrossido di litio monoidrato. Più in generale, Enso può essere applicato anche ad altri flussi salini, tra cui solfato di sodio, carbonato di sodio, solfato di ammonio, sali TMA e cloruro di sodio.

Una delle caratteristiche più importanti di Enso è la sua origine industriale. Il suo design si basa sull’ampia esperienza di De Nora Japan nel chlor-alkali, nel litio e in altri processi elettrochimici heavy-duty. Il chlor-alkali è un processo elettrochimico industriale su larga scala, e questo background è centrale per l’affidabilità e la robustezza della piattaforma.

Si tratta di una distinzione significativa. Enso non è un dispositivo da laboratorio che De Nora sta cercando di scalare. Deriva da un know-how elettrochimico industriale sviluppato per ambienti operativi esigenti. Questo è importante perché lithium refining e lithium recycling richiedono non solo performance chimica, ma anche affidabilità di lungo periodo, manutenibilità, sicurezza e operabilità.

Come sottolinea Michele Sponchiado, Business Development Manager - Energy Transition and Hydrogen Business Unit di De Nora, «Questo è uno dei punti di forza dell’apparecchiatura. È stata costruita per grandi impianti chlor-alkali. Non è qualcosa sviluppato in laboratorio e poi scalato. È nata per installazioni industriali grandi ed esigenti, quindi è molto affidabile e performante».

La line-up Enso di De Nora è strutturata per accompagnare i clienti lungo tutto il percorso di scale-up.

La configurazione Lab viene utilizzata per l’acquisizione iniziale dei dati. Permette a De Nora e al cliente di testare i requisiti di pretrattamento della brina, le condizioni operative e la purezza del prodotto. Questa fase è importante perché i flussi contenenti litio possono variare in modo significativo a seconda della loro origine, e la qualità della brina alimentata allo step elettrochimico è un fattore critico.

La configurazione Demo viene utilizzata per l’ottimizzazione del processo, l’analisi, lo sviluppo e la validazione finale. Può essere installata presso il sito del cliente e operata in continuo con il flusso reale di processo, fornendo dati più rappresentativi su performance, consumo energetico e qualità del prodotto.

Da qui, la tecnologia può essere portata alla scala commerciale attraverso le configurazioni Plant e Plant XL. Queste sono le taglie industriali pensate per applicazioni su larga scala.

La scelta tra le diverse configurazioni dipende dall’applicazione. Per le celle a tre comparti, De Nora utilizza tipicamente la taglia Plant, anche a causa delle attuali limitazioni nella dimensione delle membrane a scambio anionico disponibili sul mercato. Per le celle a due comparti, Plant XL può essere utilizzata dove possibile, perché la sua maggiore area attiva può migliorare la performance economica su scala industriale.

Sponchiado descrive la logica di questo percorso come un modo per ridurre il rischio dello scale-up: «Possiamo accompagnare il cliente dai test di laboratorio fino all’installazione industriale. La cella intermedia è fondamentale perché può funzionare in continuo con la brina reale del cliente, e i risultati vengono poi utilizzati per scalare verso le celle industriali».

Questo percorso strutturato di scale-up è particolarmente importante nelle applicazioni per il litio, dove materie prime diverse e differenti profili di impurità possono influenzare la performance del processo.

Con lo scale-up dei processi elettrochimici, il consumo energetico diventa una variabile chiave. Questo è particolarmente vero nelle aree in cui il prezzo dell’elettricità è elevato.

Per questo motivo, De Nora può proporre un’ulteriore opzione tecnologica: l’Oxygen Depolarized Cathode, o ODC. Questa tecnologia può ridurre il voltaggio della cella e, di conseguenza, abbassare il consumo energetico specifico del processo.

Allo stesso tempo, le applicazioni di De Nora nel litio stanno passando dalla fase di sviluppo all’implementazione industriale. Progetti pubblici e confidential mostrano come la tecnologia possa essere applicata sia al processing primario del litio sia al recupero da batterie agli ioni di litio usate.

In una configurazione convenzionale, al catodo viene prodotto idrogeno. In alcuni siti industriali, questo idrogeno potrebbe non avere un utilizzo diretto. Se non può essere valorizzato, diventa un flusso da gestire.

L’ODC offre un’alternativa. Invece di produrre idrogeno al catodo, la cella è progettata per consumare ossigeno. Questo modifica la reazione catodica e riduce il voltaggio della cella. Poiché il consumo energetico è direttamente collegato al voltaggio di cella, questa riduzione può diminuire in modo significativo l’energia specifica richiesta dal processo.

Il materiale interno di De Nora confronta un catodo che evolve idrogeno con un elettrodo a diffusione gassosa che consuma ossigeno. Nello scenario di riferimento considerato, la configurazione ODC riduce il fabbisogno energetico, rendendosi particolarmente rilevante nei contesti in cui il costo dell’elettricità è un fattore determinante.

Sponchiado spiega il principio in termini pratici: «Invece di far evolvere idrogeno al catodo, riduciamo ossigeno. La conseguenza è che il voltaggio della cella scende di circa 0,7-0,8 volt e quindi il consumo energetico specifico diminuisce in modo sostanziale».

La tecnologia De Nora per il litio e lo salt splitting è già applicata in progetti industriali.

Un esempio pubblico è Mangrove Lithium, technology provider che ha sviluppato un processo elettrochimico brevettato per convertire litio proveniente sia da mining sia dal riciclo di batterie usate in idrossido di litio battery-grade di alta qualità. De Nora Japan fornisce lo stack electrolyser, il cuore della piattaforma di raffinazione elettrochimica del litio di Mangrove. L’applicazione riguarda la conversione di LiCl/Li₂SO₄ in LiOH·H₂O, con una capacità dichiarata di 1.000 tonnellate all’anno e start-up prevista nel 2026.

Un altro caso pubblico è Tuleva, azienda statunitense attiva nella produzione sostenibile di materiali per clean energy. De Nora fornirà un impianto completo composto da due sistemi di elettrolisi bipolare a membrana a scambio ionico. L’impianto, che sarà costruito in Arkansas, è progettato per una capacità complessiva di 11.000 tonnellate all’anno di LiOH·H₂O, con execution prevista nel 2026/27 e start-up nel 2028.

Questi progetti mostrano come Enso possa supportare il passaggio dallo sviluppo di processo all’implementazione commerciale.