Desarrollan un método más sostenible y barato para reciclar baterías de iones de litio

Investigadores de la Universidad de California han desarrollado un proceso de reciclaje de baterías que usa ingredientes más ecológicos, consume menos energía y genera menos emisiones.

Un nuevo proceso para restaurar los cátodos gastados a su estado original podría hacer más económico el reciclaje de las baterías de iones de litio. El proceso, desarrollado por nanoingenieros de la Universidad de California en San Diego (EE.UU.), es más respetuoso con el medio ambiente que los métodos actuales: utiliza ingredientes más ecológicos, consume entre un 80 y un 90% menos de energía y emite alrededor de un 75% menos de gases de efecto invernadero.

Los investigadores detallan su trabajo en un artículo recientemente publicado en la revista Joule.

El proceso funciona particularmente bien en cátodos de fosfato de hierro y litio, o LFP. Las baterías hechas con cátodos LFP son menos costosas que otras baterías de iones de litio porque no utilizan metales caros como el cobalto o el níquel. También tienen una vida útil más larga y son más seguras. Se utilizan ampliamente en herramientas eléctricas, autobuses eléctricos y redes de energía. También son las baterías elegidas para el Tesla Model 3.

«Dadas estas ventajas, las baterías LFP tendrán una ventaja competitiva sobre otras baterías de iones de litio en el mercado», dijo Zheng Chen, un profesor de nanoingeniería de la UC San Diego.

¿Cuál es el problema? «No es rentable reciclarlas», dijo Chen. «Es el mismo dilema que con los plásticos: los materiales son baratos, pero los métodos para recuperarlos no lo son».

El nuevo proceso de reciclaje que Chen y su equipo desarrollaron podría reducir estos costes. Hace el trabajo a bajas temperaturas (60 a 80 ºC) y a presión ambiente, lo que lo hace menos ávido de energía que otros métodos. Además, los productos químicos que utiliza -sal de litio, nitrógeno, agua y ácido cítrico- son baratos y benignos.

«Todo el proceso de regeneración funciona en condiciones muy seguras, por lo que no necesitamos ninguna precaución especial de seguridad o equipo especial. Por eso podemos hacer que esto sea tan barato para el reciclaje de baterías», dijo Panpan Xu, investigador postdoctoral en el laboratorio de Chen.

Los investigadores primero hicieron un ciclo de células LFP comerciales hasta que perdieron la mitad de su capacidad de almacenamiento de energía. Desmontaron las células, recogieron los polvos de cátodo y las empaparon en una solución que contenía sal de litio y ácido cítrico. Luego lavaron la solución con agua, secaron los polvos y los calentaron.

Posteriormente crearon nuevos cátodos a partir de los polvos y los probaron tanto en células de botón como en células de petaca. Su rendimiento electroquímico, su composición química y su estructura se restauraron completamente a sus estados originales.

A medida que la batería se cicla, el cátodo experimenta dos cambios estructurales principales que son responsables de su disminución en el rendimiento. El primero es la pérdida de iones de litio, que crea sitios vacíos llamados vacantes en la estructura del cátodo. El otro ocurre cuando los iones de hierro y litio cambian de sitio en la estructura del cristal. Cuando esto ocurre, no pueden volver a cambiar fácilmente, por lo que los iones de litio quedan atrapados y ya no pueden circular por la batería.

El proceso restaura la estructura del cátodo reponiendo los iones de litio y facilitando que los iones de hierro y litio vuelvan a sus puntos originales. Esto último se logra utilizando ácido cítrico, que actúa como agente reductor, una sustancia que dona un electrón a otra sustancia. El ácido cítrico transfiere electrones a los iones de hierro, haciéndolos menos cargados positivamente. Esto minimiza las fuerzas de repulsión electrónica que impiden que los iones de hierro vuelvan a sus puntos originales en la estructura cristalina, y también libera los iones de litio de nuevo a la circulación.

Si bien los costes generales de energía de este proceso de reciclaje son menores, los investigadores dicen que se necesitan más estudios sobre la logística de la recolección, el transporte y la manipulación de grandes cantidades de baterías.

«Averiguar cómo optimizar esta logística es el próximo desafío», dijo Chen. «Y eso acercará este proceso de reciclaje a su adopción por parte de la industria».