Innovative mechanical pretreatment for the recycling of EV Li-ion batteries

The proliferation of Electric Vehicles (EVs) presents a critical challenge in the recycling of their lithium-ion batteries (LIBs), which is hindered by non-standardized designs, uncertain end-of-life conditions, and significant safety risks from residual energy. Current industrial recycling processes, such as pyrometallurgy and hydrometallurgy, face limitations in efficiency, energy consumption, and material recovery. An innovative mechanical pretreatment process is under investigation to overcome these limitations. The proposed methodology involves disassembly of the battery pack to the individual cell level, a safe overdischarging step, automated cutting of the cell case to extract the inner winding, and finally, mechanical treatment of the isolated winding before it undergoes hydrometallurgical recovery. The novel process aims to improve safety, increase the purity of recovered materials, and enhance overall process efficiency. The overarching goal of this PhD thesis is to support the application of proposed process with the focus on the recycling chain flexibility, intended as capability to operate on different type of batteries and input mix, by addressing the criticalities of four key areas: cell overdischarge, cell cutting and winding extraction, winding shredding & sieving, and decision support. First, an overdischarge system with conductive solid mixtures was developed and experimentally optimized to deactivate EV cells of different chemistries and formats safely and effectively. Second, the efficiency of a flexible automated machine for cell cutting and winding extraction was quantitatively and qualitatively assessed to guide its industrial scale-up. Third, a physics-based tool was implemented and validated with experimental data to model and simulate the mechanical pretreatment of the cell winding materials. Finally, a comprehensive decision support tool was created to evaluate the mass flows and economic viability of different recycling strategies, demonstrating its adaptability to diverse input battery mixes. Collectively, this work provides a validated, holistic framework for a safer, resilient, and economically viable EV battery recycling chain. The developed methods and tools offer a practical pathway for implementing an advanced pretreatment process, promising higher-value material recovery and a more sustainable circular economy for batteries.

La proliferazione dei veicoli elettrici (EV) rappresenta una sfida critica nel riciclo delle loro batterie agli ioni di litio (LIB), ostacolato da design non standardizzati, condizioni di fine vita incerte e significativi rischi per la sicurezza derivanti dall'energia residua. Gli attuali processi di riciclo industriale, come la pirometallurgia e l'idrometallurgia, presentano limitazioni in termini di efficienza, consumo energetico e recupero dei materiali. Un innovativo processo di pretrattamento meccanico è in fase di studio per superare tali limitazioni. La metodologia proposta prevede lo smontaggio del pacco batteria fino al livello della singola cella, una fase di scarica profonda (overdischarge) in sicurezza, il taglio automatizzato dell'involucro della cella per estrarre l'avvolgimento interno e, infine, il trattamento meccanico dell'avvolgimento isolato prima che venga sottoposto al recupero idrometallurgico. Il nuovo processo mira a migliorare la sicurezza, aumentare la purezza dei materiali recuperati e potenziare l'efficienza complessiva del sistema. L'obiettivo principale di questa tesi di dottorato è supportare l'applicazione del processo proposto concentrandosi sulla flessibilità della catena di riciclo — intesa come capacità di operare su diversi tipi di batterie e mix di input — affrontando le criticità di quattro aree chiave: scarica della cella, taglio della cella ed estrazione dell'avvolgimento, triturazione e setacciatura dell'avvolgimento, e supporto alle decisioni. In primo luogo, è stato sviluppato e ottimizzato sperimentalmente un sistema di scarica con miscele solide conduttive per disattivare in modo sicuro ed efficace celle di veicoli elettrici di diverse chimiche e formati. In secondo luogo, l'efficienza di una macchina automatizzata flessibile per il taglio delle celle e l'estrazione degli avvolgimenti è stata valutata quantitativamente e qualitativamente per guidarne la scalabilità industriale. In terzo luogo, è stato implementato e validato con dati sperimentali uno strumento basato sulla fisica per modellare e simulare il pretrattamento meccanico dei materiali degli avvolgimenti. Infine, è stato creato uno strumento completo di supporto alle decisioni per valutare i flussi di massa e la fattibilità economica di diverse strategie di riciclo, dimostrando la sua adattabilità a vari mix di batterie in ingresso. Complessivamente, questo lavoro fornisce un quadro olistico e validato per una catena di riciclo delle batterie dei veicoli elettrici più sicura, resiliente ed economicamente sostenibile. I metodi e gli strumenti sviluppati offrono un percorso pratico per l'implementazione di un processo di pretrattamento avanzato, promettendo un recupero di materiali di maggior valore e un'economia circolare delle batterie più sostenibile.