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Un nuevo método de reciclaje podría ayudar a satisfacer la enorme demanda de este tipo de baterías.
Módulos de una batería de iones de litio usada. [Pasha Pechenkin/iStock]
Las baterías de iones de litio están presentes en el interior de casi todos los vehículos eléctricos, ordenadores portátiles y teléfonos móviles, y son esenciales para almacenar energía renovable ante la emergencia climática. Sin embargo, las explotaciones mineras actuales no alcanzan a extraer la suficiente cantidad de litio y otros minerales críticos para satisfacer la exorbitante demanda de este tipo de baterías. Abrir una nueva mina es un proyecto costoso que requiere años. Y las explotaciones mineras generan toda una serie de problemas ambientales, como el agotamiento de los recursos hídricos locales y la contaminación de las áreas cercanas con residuos de escorrentía, que han suscitado protestas contra la apertura de nuevas minas.
Por lo tanto, reciclar las baterías existentes es indispensable para transformar de forma sostenible el sistema energético mundial. Sin embargo, el reciclaje de las baterías de litio no ha llegado al mercado hasta hace poco. Los fabricantes de baterías se han mostrado reticentes ante la preocupación de que los productos reciclados puedan presentar una menor calidad que los construidos a partir de minerales recién extraídos, lo que podría acortar la vida útil de las baterías o dañar su interior. Las consecuencias podrían ser graves, sobre todo en aplicaciones como los vehículos eléctricos.
Pero un nuevo trabajo publicado en Joule ha dado con lo que los expertos consideran un elegante método de reciclaje que renueva el cátodo, el cristal cuidadosamente fabricado que constituye el componente más caro de las baterías de litio y el elemento clave para suministrar el voltaje adecuado. Los investigadores hallaron que las baterías obtenidas mediante su técnica de reciclaje del cátodo funcionan tan bien como las que poseen uno nuevo. De hecho, las baterías con cátodos reciclados duran más y se cargan más deprisa. El enfoque del equipo y su exitoso resultado son «únicos y muy impresionantes», valora Kang Xu, experto en electroquímica del Laboratorio de Investigación del Ejército de EE.UU. ajeno al estudio.
Ya no es cosa de risa
Yan Wang, profesor de ciencia de materiales en el Instituto Politécnico de Worcester y coautor del reciente estudio, comenzó a investigar el reciclaje de baterías hace 11 años. Por aquel entonces, recuerda el experto, «algunos me tomaban el pelo: "Te vas a quedar sin baterías que reciclar"». La broma no ha aguantado el paso del tiempo: el Departamento de Energía de EE.UU. calcula que el mercado de las baterías puede multiplicarse por 10 en la próxima década. Para aliviar los problemas asociados a este rápido crecimiento de la demanda, «es esencial reciclar las baterías de iones de litio, reintroducir ese material en la cadena de suministro», asegura Dave Howell, director de la Oficina de Tecnología de Vehículos del Departamento de Energía de EE.UU., organismo que ha financiado la nueva investigación como parte de su enorme esfuerzo por promover innovaciones en el reciclaje de baterías a gran escala.
Las baterías de litio generan energía mediante un flujo de iones de litio que se mueve de una «jaula» cristalina (el ánodo) a otra (el cátodo). En la actualidad, los métodos más comunes de reciclaje consisten en desmontar y triturar la batería para luego fundirla o disolverla en ácido. El resultado es una masa negra —con una textura que puede variar entre la del polvo y la de una pasta viscosa— de la que se pueden rescatar elementos químicos o compuestos simples. Esos productos recuperados pueden emplearse igual que los recién extraídos en el proceso de fabricación comercial de cátodos.
Wang y sus colaboradores usan una técnica muy similar pero que, en vez de descomponer por completo la batería en sus constituyentes químicos, mantiene intacta parte de la composición esencial del antiguo cátodo. Una vez desmenuzada la batería, retiran físicamente los elementos de menor coste (como los circuitos electrónicos y la carcasa de acero) y los reciclan por separado. Lo que queda es en esencia el material del cátodo. Tras disolverlo en ácido y eliminar las impurezas, añaden cuidadosamente una pizca de los elementos que lo componen, como el níquel y el cobalto, para mantener la proporción adecuada de ingredientes. Esa es otra diferencia con respecto a los métodos de reciclaje habituales. Tras algunos pasos más, se obtiene un polvo de cátodo eficazmente renovado, compuesto por diminutas partículas cristalinas que pueden pegarse sobre una tira de metal y colocarse en una batería «nueva».
El cátodo se elabora a partir de una mezcla precisa de minerales a fin de generar un voltaje específico, por lo que cualquier cambio sutil en su estructura o composición podría comprometer su rendimiento. Por eso, gran parte del valor del cátodo en polvo «reside en el modo en que han producido sus partículas», explica Emma Kendrick, profesora de materiales energéticos de la Universidad de Birmingham que no participó en el estudio. Ese valor se pierde si la batería entera se funde o se disuelve de un plumazo, como ocurre en los métodos de reciclaje actuales.
La porosidad acelera la recarga
Wang y sus colaboradores compararon las partículas de su polvo de cátodo reciclado con las del fabricado comercialmente (elaborado en gran medida a partir de minerales recién extraídos). Los investigadores observaron que las partículas del polvo reciclado eran más porosas y presentaban huecos de especial tamaño en el centro. Esas propiedades permiten que el cristal del cátodo se hinche ligeramente conforme se introducen en él los iones de litio, y ese margen de maniobra hace que el cristal no se agriete con tanta facilidad como los cátodos fabricados con materiales nuevos. Ese agrietamiento es una de las principales causas por las que las baterías se degradan con el tiempo.
Una mayor porosidad también implica una mayor superficie expuesta donde pueden producirse las reacciones químicas necesarias para cargar la batería, y por eso las baterías recicladas de Wang se cargan más deprisa que las comerciales. En el futuro, en opinión de Wang, sería interesante que todos los cátodos (y no solo los fabricados con material reciclado) presentaran esa estructura más favorable.
Los últimos resultados demuestran que «su cátodo es tan bueno como el material comercial que hemos estado importando, o incluso mejor», afirma Linda Gaines, analista de transporte del Laboratorio Nacional Argonne de EE.UU. y científica jefa del Centro ReCell, una organización que estudia y promueve el reciclaje de baterías. (Gaines tampoco ha tomado parte en el nuevo trabajo.) Gran parte de las importaciones de EE.UU. proceden de China, líder mundial en reciclaje de baterías. Pero eso obliga a transportar los materiales por todo el mundo para reciclarlos, lo que aumenta la huella de carbono de las baterías recicladas y disminuye su atractivo como alternativa más sostenible.
El método desarrollado por el equipo de Wang reduce de forma notable la necesidad del comercio y el transporte internacionales, lo que podría abrir la puerta a que otros países impulsen el reciclaje local de baterías. Ascend Elements, una empresa de reciclaje cofundada por Wang, ya está trabajando para ampliar la escala del proceso.
Referencia: «Recycled cathode materials enabled superior performance for lithium-ion batteries». Xiaotu Ma et al. en Joule, vol. 5, págs. 2955-2970, 17 de noviembre de 2021.
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