A green electrochemical route for the combined recovery of battery-grade cobalt and energy from hardmetal scrap

European Green Deal policy pushes towards sustainable growth and circular economy in order to reduce pressure on natural resources. This research is thus aimed at finding, through a electrochemical materials-science study, an approach to the environmentally friendly recovery of battery-relevant Co and Ni from HM scrap. The thesis is organized around three key topics: (i) the achievement of a fundamental understanding of the HM corrosion phenomena; (ii) the exploitation of this knowledge basis for the achievement a higher rate of the electrochemical HM demolition and (iii) the implementation of the HM corrosion process in a metal-air battery. To address the worst-case scenario in terms of HM corrosion ease, we selected a representative range of high-corrosion resistance HM grades, changing Co/Ni rate and with/without Cr and Mo. CV tests highlighted the presence of critical potentials at which the different grades expose particular electrochemical behaviours. SEM imaging and EDS mapping disclosed the electrochemical conditions under which the formation of porous or compact corrosion product layers occurs. EIS measurements allowed to quantify the degree of activity of the surface layer, modified chemically and morphologically by the corrosion process. The HM-air battery tests showed interesting and promising results for a future industrial application. The results obtained leads to the conclusion that anodic polarization alone does not seem to be a viable approach for electrochemical demolition of HM scrap. Nevertheless, a more insightful understanding of the surface and subsurface structure of the pseudopassive conditions opens up the new option of achieving, through electrochemical control, a precise mechanical action liable to bring about fast HM demolition as studied in the electrochemical demolition section.

Il presente lavoro di ricerca si pone l’obiettivo di utilizzare tecniche elettrochimiche per l’analisi di materiali, al fine di sviluppare un processo environmetally friendly per il recupero di materie prime ed energia da rottami di metallo duro (HM). La tesi è organizzata in tre macrocapitoli: (i) una prima parte è dedicata allo studio fondamentale del comportamento a corrosione del HM, (ii) la seconda parte implementa e sfrutta tali conoscenze per testare un prototipo di batteria HM-aria e una terza parte (iii) in cui confluiscono le conoscenze acquisite precedentemente e che porta allo sviluppo e test del processo elettrochimico per la demolizione del HM. Vista la grande variabilità di composizione del metallo duro, si è scelto di testare sia le composizioni con maggiore resistenza a corrosione (alto contenuto di Ni, presenza di Cr e Mo) e sia quelle di maggiore interesse industriale (alto tenore di Co). Le ciclovoltammetrie evidenziano le presenza di potentiali critici, associati a cambiamenti marcati nel comportamento elettrochimico dei materiali. Analisi effettuate tramite tecniche di microscopia elettronica (SEM e EDS) evidenziano la formazione di strati passivanti porosi o compatti, in concomitanza con i potenziali critici. Le tecniche di spettroscopia dielettrica (EIS) permettono di caratterizzare l’attività delle superfici a seguito dei processi di corrosione. I risultati ottenuti tramite lo studio della batteria metallo duro - aria mostrano interessanti prospettive per future applicazioni industriali. I risultati finali dei test evidenziano che, una sola azione elettrochimica, non è sufficiente per disgregare il materiale oggetto dell’analisi. Ciònonostante uno studio più approfondito dell’evoluzione della superficie del materiale potrebbe portare a sfruttare fenomeni prettamente meccanici per migliorare l’efficacia di demolizione del materiale, come dimostrato nella sezione dedicata.