In futuro, le bottiglie in PET potrebbero finire negli anodi delle batterie
Le bottiglie in PET scartate potrebbero un giorno servire come materia prima per i componenti delle batterie. I ricercatori della Penn State University negli Stati Uniti hanno convertito termicamente il polietilene tereftalato, o PET, in carbonio grafitico altamente cristallino. Grazie alla struttura ordinata di questo materiale carbonioso, gli scienziati sperano di poterlo utilizzare negli anodi delle batterie agli ioni di litio. Tuttavia, sono ancora necessari test elettrochimici per confermare questa ipotesi.
I ricercatori hanno studiato come gli additivi a base di grafene influenzino la disposizione degli atomi di carbonio durante la grafitizzazione. Ciò ha portato alla formazione di grandi cristalliti con strati di carbonio ben allineati. Le loro dimensioni superavano quelle della grafite naturale di riferimento utilizzata nello studio.
"La maggior parte delle persone considera una bottiglia di plastica un rifiuto una volta che non ne ha più bisogno", afferma Shakshi Sekar, autore principale dello studio e dottorando presso il Dipartimento di Ingegneria Energetica e Mineraria John e Willie Leone della Penn State University. Tuttavia, il materiale potrebbe essere utilizzato come materia prima per la produzione di grafite, necessaria per le moderne tecnologie delle batterie.
La grafite immagazzina gli ioni di litio nell'anodo della batteria
La grafite è un componente essenziale delle moderne batterie agli ioni di litio. Durante la carica, gli ioni di litio vengono immagazzinati tra gli strati di carbonio dell'anodo di grafite e rilasciati durante la scarica. Con l'espansione della mobilità elettrica, dell'elettronica di consumo e dei sistemi di accumulo di energia stazionari, la domanda di materiali anodici adatti è in costante aumento.
La grafite è classificata come risorsa minerale critica dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti. Allo stesso tempo, secondo la National Association for PET Container Resources (Napcor), il PET è una delle materie plastiche più utilizzate al mondo.
Negli Stati Uniti, molti consumatori portano le bottiglie di plastica vuote negli appositi contenitori di raccolta. Tuttavia, una parte significativa del materiale finisce nelle discariche o viene riciclata per produrre articoli di minor valore.
Allo stesso tempo, il PET è una delle plastiche da imballaggio più utilizzate. Viene impiegato, tra le altre cose, negli imballaggi per bevande, alimenti e cosmetici. Dopo l'uso, i rifiuti vengono riciclati in modi diversi a seconda del sistema di raccolta, della qualità del materiale e del livello di contaminazione.
Solo in Germania si contano 660.000 tonnellate di rifiuti in PET
Un rapporto di ricerca pubblicato nel 2022 dall'Agenzia federale tedesca per l'ambiente (FEA) indica un volume annuo di circa 660.000 tonnellate di rifiuti in PET per la Germania. Circa il 90% di questi è costituito da rifiuti prodotti dagli utenti finali. Queste cifre si basano su un'indagine di Conversio del 2019 e devono pertanto essere intese come un'indicazione della portata del problema, non come statistiche annuali aggiornate.
Delle circa 440.000 tonnellate di rifiuti in PET raccolti all'epoca dalle bottiglie con cauzione, 425.000 tonnellate, ovvero il 97%, sono state riciclate. In Germania, quindi, il materiale è già riciclato in misura elevata. Il processo studiato dalla Penn State è comunque interessante perché potrebbe consentire la produzione di un materiale grafitico tecnicamente superiore a partire da una materia prima contenente carbonio.
L'ossido di grafene funge da stampo per la crescita
Per gli esperimenti, il team di ricerca ha sminuzzato il PET e lo ha mescolato con una piccola quantità di ossido di grafene. Il materiale è stato poi riscaldato in condizioni controllate. Durante questo trattamento termico, gli atomi di carbonio si sono riorganizzati.
I ricercatori hanno ottenuto i migliori risultati con un contenuto di ossido di grafene pari al 2,5% in peso. In queste condizioni, il materiale ha sviluppato dimensioni dei cristalliti superiori a quelle della grafite naturale. Ciò indica un eccezionale grado di ordine strutturale.
Secondo i ricercatori, i gruppi funzionali contenenti ossigeno presenti ai bordi degli strati di ossido di grafene svolgono un ruolo cruciale. Essi promuovono la crescita laterale dei cristalli di grafite. Le superfici accessibili degli strati fungono anche da stampo rispetto al quale gli atomi di carbonio si allineano durante la grafitizzazione.
Il risultato non è un materiale completamente uniforme. I ricercatori lo descrivono come carbonio grafitico altamente cristallino che, oltre alle strutture grafitiche, può contenere anche proporzioni di carbonio duro. Il termine "grafite sintetica" semplifica quindi la scoperta.
Non sono necessari catalizzatori metallici
Molti processi per la produzione di grafite sintetica utilizzano metalli come ferro, nichel o cobalto per favorire la grafitizzazione. I residui di questi catalizzatori possono contaminare il prodotto e rendere necessari ulteriori passaggi di purificazione.
L'approccio dei ricercatori non richiede tali catalizzatori metallici. L'ossido di grafene promuove la formazione della struttura senza introdurre componenti metallici. Secondo i ricercatori, ciò potrebbe eliminare la necessità di processi di purificazione chimica e comportare una minore produzione di sottoprodotti contaminati. "Eliminando i catalizzatori metallici, possiamo produrre grafite più pulita riducendo al contempo l'uso di sostanze chimiche e la produzione di rifiuti", ha affermato Sekar.
Resta da vedere se l'intero processo raggiunga effettivamente un impatto ambientale migliore. I futuri progetti di ricerca dovranno esaminare, tra le altre cose, il fabbisogno energetico del trattamento termico, la resa del materiale, la produzione dell'ossido di grafene e le possibili fasi di lavorazione.
Il lavoro svolto finora ha fornito le prime indicazioni sulla sua potenziale idoneità come materiale anodico. Tuttavia, sono ancora necessari test su celle di batteria complete. Non è ancora chiaro quanto litio il materiale possa assorbire, con quale efficienza avvengano i processi di carica e scarica e quanto stabile rimanga la capacità nel corso di molti cicli.
Il percorso verso un processo industriale
Per un processo industriale, i ricercatori dovrebbero dimostrare che i rifiuti di PET con composizione variabile possono essere trattati in modo affidabile e che il materiale grafitico può essere prodotto con una qualità costante. Rimangono inoltre senza risposta interrogativi riguardanti i costi, il consumo energetico e la disponibilità.
Sekar è ottimista: "Se i rifiuti di plastica possono diventare una materia prima per i materiali energetici moderni, cambierà la nostra concezione del riciclo", afferma. La plastica potrebbe quindi essere considerata una materia prima per i materiali tecnici a base di carbonio, affiancandosi ai metodi di riciclo già consolidati.

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