Las baterías de iones de litio recicladas superan a las nuevas
Las baterías de iones de litio están en el corazón de casi todos los vehículos eléctricos, computadoras portátiles y teléfonos inteligentes, y son fundamentales para almacenar energía renovable para combatir la emergencia climática. Pero todas las operaciones mineras del mundo actualmente no pueden extraer suficiente litio y otros minerales clave para satisfacer la creciente demanda de estas baterías. La construcción de nuevas minas es una tarea costosa que lleva años. La minería también ha traído consigo una serie de dolores de cabeza ambientales, como el agotamiento de los recursos hídricos locales y la escorrentía que contamina las áreas cercanas, lo que ha llevado a protestas contra las nuevas minas.
Todo esto significa que la capacidad de reciclar las baterías existentes es fundamental para transformar de manera sostenible el sistema energético global. Pero el reciclaje de baterías de iones de litio solo se ha comercializado recientemente. A los fabricantes de baterías les preocupa que los productos reciclados puedan ser de menor calidad que los fabricados con minerales recién extraídos, lo que podría reducir la vida útil de la batería o dañar el interior de la batería. Las consecuencias podrían ser graves, especialmente en aplicaciones como los vehículos eléctricos.
Pero una nueva investigación, publicada en Joule, ha descubierto lo que los expertos describen como un método de reciclaje más elegante para restaurar el cátodo, el elaborado cristal que es el componente más caro de las baterías de iones de litio y clave para proporcionar el voltaje adecuado. Los investigadores descubrieron que las baterías que fabricaron con la nueva tecnología de reciclaje de cátodos funcionaron tan bien como las que usaron cátodos hechos desde cero. De hecho, las baterías que usan cátodos reciclados pueden durar más y recargarse más rápido. El enfoque del equipo y la demostración exitosa fueron «muy singulares e impresionantes», dijo Kang Xu, electroquímico del Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU. que no participó en el estudio.
no más bromas
Yan Wang, profesor de ciencia de los materiales en el Instituto Politécnico de Worcester y coautor del nuevo estudio, comenzó a investigar el reciclaje de baterías hace 11 años. En ese momento, dijo, «algunas personas bromearon conmigo: ‘No hay suficientes baterías para que las recicles'». La broma no envejeció bien. El Departamento de Energía de EE. UU. estima que el mercado de las baterías podría multiplicarse por diez durante la próxima década. Para aliviar los dolores de crecimiento en el mercado, «el reciclaje de las baterías de iones de litio, es decir, devolver el material a la cadena de suministro, es fundamental», dijo Dave Howell, director de la Oficina de Tecnologías de Vehículos del DOE.El Departamento de Energía de EE. UU. financió la nueva investigación como parte de su impulso para innovar el reciclaje de baterías a gran escala en EE. UU.
Cuando se alimenta una batería de iones de litio, los grupos de iones de litio se mueven de una «jaula» cristalina (ánodo) a otra (cátodo). El método más común que se usa actualmente para reciclar estas baterías consiste en desarmar y triturar toda la batería y luego derretirla o disolverla en ácido. El resultado es una masa negra, que puede variar en textura desde polvo hasta limo, de la que se pueden recuperar elementos químicos o compuestos simples. Estos productos recuperados luego pueden pasar por el mismo proceso de fabricación comercial que se utiliza para fabricar cátodos a partir de los elementos recién extraídos.
Wang y sus colegas utilizaron un proceso muy similar, pero en lugar de descomponer completamente la batería en sus elementos químicos constituyentes, su técnica dejó intactos algunos componentes clave del cátodo antiguo. Después de triturar la batería, retiran físicamente las partes menos costosas (como el circuito electrónico y la carcasa de acero de la batería) y las reciclan por separado. Lo que queda es principalmente material de cátodo; lo disuelven en ácido y luego eliminan las impurezas. A continuación, agregaron cuidadosamente pequeñas cantidades de elementos nuevos que forman el cátodo, como el níquel y el cobalto, para asegurarse de que los ingredientes estuvieran en la proporción correcta, otra diferencia con respecto a los métodos de reciclaje normales. Después de algunos pasos más, el resultado es un polvo de cátodo efectivamente renovado, compuesto de pequeñas partículas cristalinas que pueden adherirse a tiras de metal y colocarse en una batería «nueva».
Debido a que el cátodo está hecho de una mezcla precisa de minerales preciosos para alcanzar el voltaje específico de la batería, pequeños cambios en su estructura o composición pueden afectar su rendimiento.Por lo tanto, la mayor parte del valor del polvo de cátodo está en «cómo diseñar la partícula [of powder] Primero», dijo Emma Kendrick, profesora de materiales energéticos de la Universidad de Birmingham en Inglaterra, que no participó en el nuevo estudio. Si toda la batería simplemente se derrite o se disuelve de una sola vez, ese valor se pierde, al igual que el caso de los métodos de reciclaje actuales.
Más poros, carga más rápida
Wang y sus colegas compararon las partículas en el polvo de cátodo recuperado con las de los polvos de cátodo fabricados comercialmente, que en su mayoría están hechos de minerales recién extraídos. Descubrieron que las partículas de polvo recuperadas eran más porosas, con vacíos particularmente grandes en el centro de cada partícula. Estas propiedades proporcionan espacio para que el cristal del cátodo se expanda ligeramente a medida que los iones de litio entran, y este margen de maniobra evita que el cristal se agriete tan fácilmente como un cátodo construido desde cero. Este agrietamiento es una de las principales causas de la degradación de la batería con el tiempo.
Más poros también significa más área de superficie expuesta, donde pueden ocurrir las reacciones químicas necesarias para cargar la batería, razón por la cual las baterías recicladas de Wang se cargan más rápido que las fabricadas comercialmente. Un objetivo futuro puede ser diseñar todos los cátodos para que tengan esta estructura superior, no solo los materiales reciclados, dijo Wang.
Los últimos hallazgos muestran que «pueden fabricar cátodos que son tan buenos o mejores que los materiales comerciales que hemos estado importando», dijo Linda Gaines, analista de transporte del Laboratorio Nacional de Argonne y científica principal del Centro ReCell, en un estudio y Organizaciones que promueven el reciclaje de baterías. (Gaines no participó en el nuevo estudio). Tales importaciones provienen principalmente de China, que es líder mundial en el reciclaje de baterías. Pero la situación significa que los materiales deben reorganizarse a nivel mundial para su reciclaje, lo que aumenta la huella de carbono de las baterías recicladas y socava su atractivo como un camino más sostenible. El método desarrollado por el equipo de Wang reduce una parte significativa de las necesidades de transporte y comercio internacional, lo que abre una vía potencial para que otros países mejoren el reciclaje doméstico de baterías. Actualmente, el proceso se está ampliando en Ascend Elements (anteriormente Battery Resourcers), una empresa de reciclaje cofundada por Wang.
