Energia dai rifiuti: dalle bottiglie di plastica la grafite per le batterie

Una bottiglia d’acqua gettata nella raccolta differenziata potrebbe un giorno contribuire ad alimentare un’auto elettrica, uno smartphone o un sistema di accumulo per le rinnovabili. Non è un remake di “Ritorno al futuro”, ma la prospettiva inaugurata da un recente studio della Pennsylvania State University. In pratica è possibile convertire il polietilene tereftalato, il Pet delle comuni bottiglie monouso, in grafite sintetica altamente ordinata. Il materiale ottenuto mostra cristalliti più ampi e regolari di quelli della grafite naturale usata come riferimento nelle batterie, un indizio di qualità elevata per gli anodi delle celle agli ioni di litio del futuro.

La ricerca, firmata da Shakshi Sekar e Randy Vander Wal, pubblicata sulla rivista Diamond and Related Materials, affronta un problema che non è mai stato scalfito in decenni di tentativi: riciclare meglio uno dei materiali più diffusi e dal bassissimo valore economico. Il Pet è un polimero ricco di ossigeno, circa il 33% del peso. Durante il trattamento termico questo ossigeno favorisce reticolazioni disordinate e produce un carbone cosiddetto non grafitizzabile, che resta amorfo anche alle temperature più alte. In pratica, scaldare il Pet non basta a ottenere grafite: serve un’impalcatura che guidi gli atomi di carbonio nella giusta disposizione.

Il ruolo dell’ossido di grafene

L'idea dei ricercatori è aggiungere piccole quantità di ossido di grafene, indicato con la sigla Go, e di grafene puro. Sono sottili fogli di carbonio che agiscono come uno stampo: da soli, scaldando il Pet, gli atomi di carbonio si aggrovigliano alla rinfusa; appoggiandosi a questi fogli, invece, si allineano ordinatamente strato su strato, proprio come nella grafite. I bordi dei fogli danno il via alla crescita, le loro superfici piatte tengono in riga gli atomi. L’aspetto che rende il metodo interessante per un eventuale impiego industriale è l’assenza di catalizzatori metallici. Le tecniche tradizionali di grafitizzazione ricorrono a ferro, nichel o cobalto per riordinare il carbonio, ma questi metalli lasciano impurità che vanno poi rimosse con costose fasi di purificazione chimica, un problema tanto più serio quanto più la destinazione finale, come le batterie, richiede purezza elevata. Eliminando i metalli, sostiene Sekar, si ottiene una grafite più pulita riducendo l’uso di sostanze chimiche e la produzione di scarti.

La produzione convenzionale di grafite sintetica, va ricordato, non è a impatto zero: parte in genere da derivati del petrolio come il needle coke (una materia prima carboniosa di alta qualità, estratta dal petrolio o dal carbone) e la pece, e per ogni tonnellata di grafite di qualità batteria consuma circa 11.000 megajoule di energia (circa 3.055 kWh), con emissioni stimate intorno a 5,3 tonnellate di anidride carbonica equivalente. Partire da un rifiuto abbondante, invece che da precursori fossili dedicati, cambia i termini del problema.

Perché la grafite conta, e perché riguarda l’Europa

La grafite è il principale materiale anodico delle batterie agli ioni di litio, quelle che muovono auto elettriche, elettronica di consumo e sistemi di accumulo per le rinnovabili e per i data center. Secondo lo studio la domanda di grafite di qualità batteria è destinata a quadruplicare entro il 2030. Ed è qui che il tema tocca da vicino l’Europa e l’Italia.

La grafite naturale figura infatti nell’elenco europeo delle materie prime critiche e la sua filiera è dominata dalla Cina, che ne estrae circa il 60% e ne raffina intorno al 90% a livello mondiale. Dal 2025 Pechino ha introdotto ulteriori restrizioni alle esportazioni di grafite e di precursori per batterie, con permessi che allungano i tempi di consegna e spingono i prezzi. Il regolamento europeo sulle materie prime critiche punta a coprire entro il 2030 almeno il 10% del fabbisogno con estrazione interna e il 40% con capacità di raffinazione europea, ma la grafite naturale resta tra i materiali per i quali l’Unione dipende dai Paesi terzi per oltre il 94 per cento.

Il nodo del riciclo delle bottiglie in Italia

Sul fronte della materia prima, l'Italia ha una posizione peculiare: è il primo paese europeo per consumo di acqua minerale in bottiglia, con circa 530 mila tonnellate di Pet l'anno destinate alle sole bottiglie, ma ha anche una filiera del riciclo tra le più avanzate d'Europa. La direttiva sulle plastiche monouso impone di raccogliere il 77% delle bottiglie entro il 2025, salendo al 90% entro il 2029, e di usare almeno il 25% di Pet riciclato per quelle nuove.

Il modello prevalente resta il riciclo cosiddetto “da bottiglia a bottiglia”, che rimette il Pet raccolto nel circuito delle bottiglie. Una tecnologia come quella di Penn State non compete con questa filiera, ma apre una destinazione alternativa per i flussi che oggi non tornano a nuova vita come imballaggio, e che finirebbero in usi di minor valore o in discarica. In quella prospettiva la plastica smette di essere solo un problema di smaltimento e diventa una possibile fonte di materiale strategico per l’energia pulita, come sottolinea la stessa Sekar.

Restano da chiarire i passaggi decisivi verso l’applicazione reale: la resa su scala industriale, i costi complessivi rispetto alla produzione da precursori fossili e la tenuta del materiale una volta montato in celle vere e proprie. Lo studio, sostenuto dalla National Science Foundation statunitense, dimostra il principio in laboratorio; la strada verso l’impianto è ancora lunga.