Una investigación innovadora hace que el reciclaje de baterías sea más económico

¿Cómo hacemos que el reciclaje de baterías sea rentable? Los científicos del Centro ReCell han dado un paso más hacia ese objetivo.

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Por Jake Malooley

Las baterías de iones de litio son los motores de nuestro presente y futuro tecnológico. Alimentan dispositivos electrónicos portátiles, como teléfonos inteligentes y computadoras portátiles y vehículos eléctricos (EV), que están creciendo en popularidad. Pero el uso cada vez mayor de baterías de iones de litio, especialmente en automóviles, ha superado la tecnología para reciclarlas. Ahora, los científicos del Centro ReCell, el primer centro avanzado de investigación y desarrollo de reciclaje de baterías del país, con sede en el Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía (DOE), han hecho un descubrimiento fundamental que elimina uno de los mayores obstáculos que se interponen en el camino de hacer el reciclaje de baterías de iones de litio es económicamente viable.

Los procesos de reciclaje que se utilizan hoy en día permiten la recuperación de metales en formas que tienen poco valor para los fabricantes de baterías. Un enorme problema se avecina en el horizonte: en menos de una década, los investigadores proyectan que dos millones de toneladas de baterías de iones de litio al final de su vida útil de los vehículos eléctricos se retirarán cada año. La cantidad de baterías EV al final de su vida útil es actualmente baja, pero está a punto de aumentar sustancialmente a medida que los vehículos de modelos más antiguos llegan al final de su vida útil, y la infraestructura de reciclaje actual no está lista para la afluencia.

"Si la industria de las baterías va a comprar material de cátodo reciclado para reutilizarlo en baterías nuevas, no va a sacrificar la pureza". — Jessica Durham, científica de materiales en Argonne y coautora del estudio

Investigadores de la Universidad Tecnológica de Michigan (MTU), parte del equipo de ReCell, han desarrollado un proceso innovador para separar los materiales valiosos que forman el cátodo, el electrodo cargado positivamente de una batería.

Los científicos del Centro de Investigación de Ingeniería de Materiales en Argonne están ampliando el innovador proceso de separación de MTU, allanando el camino para el reciclaje a gran escala de baterías EV. Debido a que los materiales del cátodo de las baterías EV varían según el fabricante de automóviles y el año de producción, un reciclador debe tomar una mezcla de óxidos de metal de litio: óxido de litio y cobalto, óxido de litio, níquel, manganeso y cobalto, óxido de litio, níquel, cobalto y aluminio, fosfato de litio y hierro, etc. — y separar cada uno para que esos materiales puedan ser reutilizados. Esa tarea que antes era imposible de repente parece factible.

El reciclaje directo y la reutilización de los materiales del cátodo de la batería cierran el círculo. (Imagen del Centro ReCell).

En un nuevo artículo publicado en la revista científica revisada por pares Energy Technology, los investigadores de MTU y ReCell detallan su descubrimiento: un método para separar materiales de cátodos individuales utilizando un nuevo giro en un proceso antiguo llamado flotación por espuma.

Utilizado durante muchos años por la industria minera para separar y purificar minerales, la flotación por espuma separa los materiales en un tanque de flotación en función de si repelen el agua y flotan, o si absorben agua y se hunden. Generalmente, los materiales catódicos se hunden, lo que los hace difíciles de separar unos de otros. Eso es cierto para el óxido de litio, níquel, manganeso y cobalto (NMC111) y el óxido de litio y manganeso (LMO), dos materiales comunes de cátodo de batería EV que el equipo de ReCell usó en sus experimentos. Lo que los investigadores encontraron fue que la separación se puede lograr haciendo que uno de los materiales del cátodo, NMC111, flote mediante la introducción de un químico que hace que el material objetivo repele el agua.

Una vez que se separaron los materiales del cátodo, los investigadores determinaron mediante pruebas que el proceso tenía un impacto insignificante en el rendimiento electroquímico de los materiales. Ambos también tenían altos niveles de pureza (95 por ciento o más).

"Eso es muy importante", dice Jessica Durham, científica de materiales de Argonne y coautora del estudio, "porque si la industria de las baterías va a comprar material de cátodo reciclado para reutilizarlo en baterías nuevas, no va a sacrificar la pureza ."

La investigación se relaciona con la misión del Centro ReCell de avanzar en métodos de procesamiento que consumen menos energía y capturar materiales valiosos para el reciclaje directo: la recuperación, regeneración y reutilización de los componentes de la batería directamente sin romper la estructura química. El centro es una colaboración entre Argonne, el Laboratorio Nacional de Energía Renovable del DOE y el Laboratorio Nacional Oak Ridge, la Universidad Tecnológica de Michigan, la Universidad de California en San Diego y el Instituto Politécnico de Worcester.

El descubrimiento de ReCell promete tener amplias implicaciones, como la reducción del costo del reciclaje de las baterías de iones de litio; estimular el crecimiento de un mercado de reciclaje rentable para baterías de iones de litio al final de su vida útil; reducir el costo de los vehículos eléctricos tanto para los productores como para los consumidores; permitir que Estados Unidos compita en la industria global de reciclaje de baterías; fortalecer la independencia energética de EE. UU. aumentando el uso de fuentes nacionales de materiales de batería reciclados; y reducir la dependencia estadounidense de fuentes extranjeras de materiales.

Pero por ahora, el equipo del Centro ReCell está enfocado en crear, paso a paso, un proceso de reciclaje completo para baterías de iones de litio que sea económicamente viable. Sólo entonces será ampliamente adoptado.

"Cualquiera que sea el método que se utilice para hacer este reciclaje, el reciclador debe poder beneficiarse de él", dice Durham. "Estamos poniendo los pasos juntos sabiendo que, al final, el proceso total tendrá que ser rentable".

Otros coautores del estudio en Argonne incluyen a Albert Lipson, científico principal de materiales y Haruka Pinegar, investigadora postdoctoral.

Esta investigación y el Centro ReCell están financiados por la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable, Oficina de Tecnologías de Vehículos del DOE.

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Imágenes cortesía del Laboratorio Nacional de Argonne.

Artículo cortesía del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE).

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