MODELLAZIONE E CONTROLLO DEI PROCESSI DI RICICLO DELLE BATTERIE AGLI IONI DI LITIO NELL’AMBITO DELL’IDROMETALLURGIA INDUSTRIALE

Since the early \textsc{21st} century, the increasing global diffusion of hybrid and electric vehicles, combined with the need to develop a cleaner and more sustainable energy future, has led to an exponential increase in the demand for energy storage systems. Among these devices, lithium-ion batteries have established themselves as the most widespread technology due to their high energy density, long life and reduced self-discharge. However, the accelerated development of this market has brought with it new challenges, mainly related to the large-scale production and disposal of batteries, and in particular to the management of the critical materials that compose them, such as lithium, cobalt, nickel and manganese. These metals, which constitute approximately 40% of the weight of batteries, are limited resources and concentrated in geopolitically unstable areas, which makes them difficult to find and very expensive. One of the most promising strategies to address these critical issues is the recycling of end-of-life batteries, which allows the recovery and reintroduction into the production cycle of the most valuable materials they are made of. At present, however, the technological development of industrial recycling processes is still limited, mainly due to the high energy consumption and processing costs, which compromise their economic sustainability. This thesis work fits into this context, whose objective is the optimization and control of hydrometallurgical recycling processes, i.e. the most widespread lithium battery recycling strategy worldwide. The adopted solution approach is based on \textit{optimal control}, an advanced control technique that allows determining, starting from the mathematical model of the process, the optimal temporal trajectory of the input variables (in this case, the absorbed energy) that minimizes the cost of the processes, respecting the operating constraints of the system. The application of \textit{optimal control} has allowed to obtain a significant reduction in operating costs, while maintaining productivity almost unchanged. Compared to a traditional plant, in fact, the results obtained show a concrete improvement in terms of efficiency and sustainability of the process. These data confirm the effectiveness of the proposed approach and open new opportunities for the improvement of battery recycling processes on an industrial scale.

A partire dai primi anni del \textsc{xxi} secolo, la crescente diffusione su scala mondiale dei veicoli ibridi ed elettrici, unita alla necessità di sviluppare un futuro energetico più pulito e sostenibile, ha determinato un aumento esponenziale della domanda di sistemi di accumulo energetico. Tra questi dispositivi, le batterie agli ioni di litio si sono affermate come la tecnologia più diffusa per via della loro elevata densità energetica, lunga durata e ridotta autoscarica. Tuttavia, lo sviluppo accelerato di questo mercato ha portato con sé nuove sfide, legate soprattutto alla produzione e allo smaltimento su larga scala delle batterie, ed in particolare alla gestione dei materiali critici che le compongono, come Litio, Cobalto, Nichel e Manganese. Questi metalli, che costituiscono circa il 40\% in peso delle batterie, sono risorse limitate e concentrate in aree geopoliticamente instabili, il che le rende difficili da reperire e molto costose. Una delle strategie più promettenti per affrontare queste criticità è il riciclo delle batterie a fine vita, che consente di recuperare e reinserire nel ciclo produttivo i materiali più pregiati di cui sono composte. Allo stato attuale, però, lo sviluppo tecnologico dei processi industriali di riciclo risulta ancora limitato, principalmente a causa dell'elevato consumo energetico e dei costi di lavorazione, che ne compromettono la sostenibilità economica. È in questo contesto che si inserisce il presente lavoro di tesi, il cui obiettivo è l'ottimizzazione e il controllo dei processi di riciclo idrometallurgici, ovvero la strategia di riciclo delle batterie al litio più diffusa a livello mondiale. L'approccio risolutivo adottato si basa sull'\textit{optimal control}, una tecnica di controllo avanzata che consente di determinare, a partire dal modello matematico del processo, la traiettoria temporale ottimale delle variabili di ingresso (in questo caso, l'energia assorbita) che minimizzi il costo delle lavorazioni, rispettando i vincoli operativi del sistema. L'applicazione dell'\textit{optimal control} ha permesso di ottenere una significativa riduzione dei costi operativi, mantenendo quasi invariata la produttività. Rispetto a un impianto tradizionale, infatti, i risultati ottenuti mostrano un miglioramento concreto in termini di efficienza e sostenibilità del processo. Questi dati confermano l'efficacia dell'approccio proposto e aprono nuove opportunità per il miglioramento dei processi di riciclo delle batterie su scala industriale.