Descubren una forma más rápida y limpia de reciclar el litio de los residuos de las baterías

Investigadoras de la Universidad Rice han descubierto un método rápido, eficaz y respetuoso con el medio ambiente para la recuperación selectiva de litio de las baterías eléctricas mediante radiación de microondas y un disolvente fácilmente biodegradable. El proceso permite recuperar el 50% del litio en 30 segundos.

El litio, el «oro blanco» de la energía limpia, es un ingrediente clave en baterías grandes y pequeñas, que alimentan desde teléfonos y ordenadores portátiles hasta los sistemas de almacenamiento de energía a escala de red.

Aunque relativamente abundante, este metal blanco plateado podría escasear pronto debido a un complejo panorama de abastecimiento afectado por el auge de los vehículos eléctricos (VE), los objetivos de reducción a cero emisiones y factores geopolíticos. Valorado en más de 65.000 millones de dólares en 2023, se espera que el mercado mundial de baterías de iones de litio (LIB) crezca más de un 23% en los próximos ocho años, lo que probablemente aumentará los retos existentes en el suministro de litio.

Además, la recuperación del litio de las baterías gastadas es muy ineficiente y perjudicial para el medio ambiente, algo que un equipo de investigadores de la Universidad Rice dirigido por Pulickel Ajayan está tratando de cambiar.

En su último estudio, publicado en Advanced Functional Materials, los investigadores describen un método rápido, eficaz y respetuoso con el medio ambiente para la recuperación selectiva de litio mediante radiación de microondas y un disolvente fácilmente biodegradable.

Los resultados muestran que el nuevo proceso puede recuperar hasta el 50% del litio de los cátodos gastados de las baterías en tan sólo 30 segundos, superando así un importante cuello de botella en la tecnología de reciclado de las baterías de litio.

«En los últimos años hemos asistido a un crecimiento colosal del uso de las baterías de iones de litio, lo que inevitablemente plantea problemas en cuanto a la disponibilidad de metales críticos como el litio, el cobalto y el níquel que se utilizan en los cátodos», explica Sohini Bhattacharyya, una de las dos autoras principales del estudio y becaria posdoctoral de la Rice Academy en el Laboratorio de Nanomateriales dirigido por Ajayan. «Por eso es muy importante reciclar las baterías de iones de litio gastadas para recuperar estos metales».

Los métodos de reciclado convencionales suelen emplear ácidos agresivos, mientras que los disolventes ecológicos alternativos, como los disolventes eutécticos profundos (DES), han tenido problemas de eficacia y viabilidad económica. Además, los métodos de reciclado actuales recuperan menos del 5% del litio, en gran parte debido a la contaminación y las pérdidas que se producen durante el proceso, así como a la gran cantidad de energía que requiere la recuperación.

«La tasa de recuperación es tan baja porque el litio suele precipitarse en último lugar, después de todos los demás metales, por lo que nuestro objetivo era averiguar cómo podemos centrarnos específicamente en el litio», explica Salma Alhashim, exalumna de doctorado de Rice y otra de las autoras principales del estudio. «En este caso utilizamos un DES que es una mezcla de cloruro de colina y etilenglicol, sabiendo por nuestro trabajo anterior que durante la lixiviación en este DES, el litio se rodea de iones de cloruro del cloruro de colina y se lixivia a la solución».

Para lixiviar otros metales como el cobalto o el níquel, tanto el cloruro de colina como el etilenglicol tienen que intervenir en el proceso. Sabiendo que, de las dos sustancias, sólo el cloruro de colina absorbe bien las microondas, los investigadores sumergieron el material de desecho de la batería en el disolvente y lo sometieron a radiación de microondas.

«Esto nos permitió lixiviar el litio de forma selectiva frente a otros metales», explica Bhattacharyya. «El uso de la radiación de microondas para este proceso es similar al modo en que un microondas de cocina calienta rápidamente los alimentos. La energía se transfiere directamente a las moléculas, lo que hace que la reacción se produzca mucho más rápido que con los métodos de calentamiento convencionales.»

En comparación con los métodos de calentamiento convencionales, como un baño de aceite, el calentamiento asistido por microondas puede lograr eficacias similares casi 100 veces más rápido. Por ejemplo, utilizando el proceso basado en microondas, el equipo descubrió que se tardaba 15 minutos en lixiviar el 87% del litio, frente a las 12 horas necesarias para obtener la misma tasa de recuperación mediante el calentamiento en baño de aceite.

«Esto también demuestra que se puede conseguir selectividad hacia elementos específicos simplemente ajustando la composición del DES», afirma Alhashim. «Otra ventaja es la estabilidad del disolvente: Como el método del baño de aceite lleva mucho más tiempo, el disolvente empieza a descomponerse, mientras que esto no ocurre con los ciclos cortos de calentamiento de un microondas.»

Este método innovador podría mejorar drásticamente la economía y el impacto ambiental del reciclado de baterías de iones de litio, aportando una solución sostenible a un problema mundial cada vez más grave.

«Este método no sólo mejora la tasa de recuperación, sino que también minimiza el impacto ambiental, lo que lo convierte en un paso prometedor hacia la implantación a gran escala de sistemas de reciclado basados en DES para la recuperación selectiva de metales», afirma Ajayan, autor del estudio y catedrático de Ingeniería, así como profesor y director del departamento de Ciencia de los Materiales y Nanoingeniería de Rice.