Enjuague y repita: ya está aquí una nueva forma fácil de reciclar baterías

Las baterías de iones de litio han revolucionado la electrónica y han permitido un cambio acelerado hacia la energía limpia. Estas baterías se han convertido en una parte integral de la vida del siglo XXI, pero corremos el riesgo de agotarse antes de 2050. Los principales elementos utilizados en cada batería (metales de litio, níquel y cobalto, así como grafito) son cada vez más escasos y costosos. y hay poca supervisión ambiental o laboral justa de algunas de las cadenas de suministro internacionales restantes.

Existe una necesidad apremiante de comenzar a reutilizar los materiales que ya hemos desenterrado y de hacer que el proceso de producción de baterías sea más seguro y equitativo para todos. Un equipo de científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) ha inventado un nuevo material de batería galardonado que puede marcar ambas casillas. Su producto, llamado Quick-Release Binder, hace que sea sencillo y asequible separar los materiales valiosos de las baterías de iones de litio de los demás componentes y recuperarlos para reutilizarlos en una batería nueva.

"Estamos llegando al punto en que el reciclaje de baterías será un requisito", dijo el líder del proyecto, Gao Liu, científico sénior en el Área de Tecnologías Energéticas de Berkeley Lab y miembro del Centro de Almacenamiento de Energía de Berkeley Lab. "Si no dejamos de quemarlos y tirarlos a la basura, nos quedaremos sin recursos en los próximos diez años. De lo contrario, es simplemente imposible mantenerse al día con la cantidad de baterías que exige el mercado. Simplemente no hay suficiente cobalto , no hay suficiente níquel, tenemos que reciclar". Una batería hecha con aglutinante de liberación rápida simplemente debe abrirse, colocarse en agua alcalina a temperatura ambiente y agitarse suavemente. Los elementos separados se filtran fácilmente del agua y se secan al aire.

Es un marcado contraste con el reciclaje actual de iones de litio, que implica primero triturar y moler las baterías y luego quemarlas para separar los metales de los demás componentes. Las empresas de reciclaje tienen como objetivo hacer que sus procesos sean lo más eficientes posible, pero debido al diseño pasado y actual de la mayoría de las baterías, la recuperación de los elementos aún consume mucha energía, es costosa y libera sustancias químicas tóxicas que deben manejarse con cuidado.

Miembros del equipo (en el sentido de las agujas del reloj desde la parte superior izquierda) Robert Kostecki, director de división, división de recursos distribuidos y almacenamiento de energía; Gao Liu, Investigador Principal, Liu Lab; Chen Fang, Investigador Postdoctoral; Muhammad Ihsan Ul Haq, investigador postdoctoral (Crédito: Marilyn Sargent/Berkeley Lab)

Liu y su equipo en el Berkeley Lab Energy Storage Center estaban trabajando en baterías de litio-azufre, una de las posibles alternativas al Li-ion tradicional que se está desarrollando, cuando crearon el Quick-Release Binder. Las baterías de litio-azufre son un concepto candente en el mundo de la investigación y el desarrollo de baterías porque pueden fabricarse sin cobalto raro y tienen una densidad de energía teórica más alta que el Li-ion; pero hay muchos problemas de funcionalidad que deben resolverse antes de que las baterías puedan adoptarse comercialmente. El aglutinante de liberación rápida haría que las baterías de Li-S fueran fácilmente reciclables y parece resolver uno de los principales problemas de rendimiento. Este hallazgo es bastante emocionante por sí solo, pero Chen Fang, un investigador postdoctoral en el laboratorio de Liu, se dio cuenta de que su nuevo material aglutinante tenía un potencial aún mayor: también podría usarse en las baterías de iones de litio actuales.

Los aglutinantes son sustancias similares al pegamento que se usan en la mayoría de los tipos de baterías, incluidas las de iones de litio y las pilas alcalinas que usamos en artículos para el hogar. Las baterías tienen dos electrodos, el cátodo con carga positiva y el ánodo con carga negativa, hechos de sustancias químicas conductoras que generan una corriente eléctrica y materiales estructurales que mantienen los ingredientes activos en su lugar para un rendimiento constante y duradero. Los aglutinantes, como su nombre lo indica, unen estos ingredientes y ayudan a mantener la arquitectura de la batería.

El nuevo aglutinante de liberación rápida está hecho de dos polímeros disponibles comercialmente, ácido poliacrílico (PAA) y polietilenimina (PEI), que se unen mediante un enlace entre átomos de nitrógeno cargados positivamente en PEI y átomos de oxígeno cargados negativamente en PAA. Cuando el material aglutinante sólido se coloca en agua alcalina que contiene hidróxido de sodio (Na+OH–), el ion de sodio aparece en el sitio de unión, separando los dos polímeros. Los polímeros separados se disuelven en el líquido, liberando cualquier componente de electrodo incrustado en su interior.

El aglutinante se puede utilizar para fabricar ánodos y cátodos, y cuesta aproximadamente una décima parte del precio de dos de los aglutinantes comerciales más utilizados. "[En nuestra investigación reciente] demostramos que todo el proceso es muy fácil a escala de laboratorio y no vemos ninguna razón por la que no funcione igual de bien a escala industrial", dijo Fang. Agregó que el equipo cree que el material se puede usar para baterías de todos los tamaños, desde las pequeñas de los teléfonos celulares hasta las baterías extragrandes que se utilizan para almacenar energía de respaldo en la red eléctrica del país.

A fines de septiembre, la tecnología fue reconocida por los premios R&D 100 Awards como una de las 100 tecnologías revolucionarias más importantes desarrolladas a nivel mundial en 2022.

El equipo ahora está trabajando con Steve Sloop, un desarrollador de reciclaje de baterías y fundador de OnTo Technologies, para terminar de probar el producto y llevarlo al mercado. Los experimentos anteriores demostraron que el aglutinante es altamente estable a voltajes altos y bajos, y ahora planean construir prototipos de baterías de iones de litio con el aglutinante para analizar su rendimiento de manera integral y mostrar su funcionalidad.

Si estas pruebas salen bien, los científicos prevén una transición sin problemas a la fabricación comercial. "No hay ningún obstáculo fundamental para adaptar el proceso de fabricación actual para usar el aglutinante porque en realidad simplificará la fabricación por la misma razón que simplifica el reciclaje: puede usar agua en lugar de solventes fuertes", dijo Chen. Para fabricar baterías nuevas, los fabricantes procesan aglutinantes con solventes químicos para crear una suspensión que contiene todos los componentes del electrodo, que luego se deposita en la forma y el grosor deseados en las láminas de los electrodos. "Esto significa que los fabricantes actuales necesitan instalar instrumentos o instalaciones adicionales para proteger a los trabajadores de los vapores de solventes tóxicos y para gestionar la eliminación segura del solvente". La carpeta de liberación rápida eliminaría esos pasos.

Según Sloop, el Quick-Release Binder representa un cambio de paradigma en el diseño de baterías. En lugar de diseñar baterías avanzadas y tratar de crear un proceso de reciclaje después del hecho, el equipo de Liu fue el primero en "diseñar para reciclar".

"El aglutinante tiene la gran característica de que se puede 'descomprimir' con un procesamiento ambientalmente benigno y de bajo costo, lo que nos beneficia a todos al mejorar la sustentabilidad económica y ambiental de los sistemas de baterías avanzados", dijo Sloop. "También es un gran logro que las baterías no contengan sustancias de perfluoroalquilo y polifluoroalquilo (PFAS), la familia de compuestos que se utilizan para fabricar recubrimientos antiadherentes y muchos otros productos, pero es extraordinariamente importante para el futuro. Los clientes no los quieren debido el vínculo emergente con los problemas de salud, y creo que pronto los reguladores estarán de acuerdo en que no podemos seguir usando estos productos químicos".

Mirando hacia el futuro, Liu y Sloop se están reuniendo con compañías de baterías y fabricantes de aglomerantes para discutir la comercialización. Esperan licenciar la tecnología Quick-Release para que pueda usarse en todas las principales marcas de iones de litio. Algún día, el invento del equipo podría estar en todas las baterías bajo nuestros techos y bajo nuestros capós, dejando que los metales de tierras raras restantes permanezcan bajo tierra.

El desarrollo de la Carpeta de Liberación Rápida fue apoyado por la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable del Departamento de Energía y OnTo Technologies. La tecnología ya está disponible para la concesión de licencias poniéndose en contacto con [email protected]

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Fundado en 1931 con la creencia de que los mayores desafíos científicos se abordan mejor en equipo, el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y sus científicos han sido reconocidos con 16 premios Nobel. En la actualidad, los investigadores de Berkeley Lab desarrollan soluciones medioambientales y de energía sostenible, crean nuevos materiales útiles, avanzan en las fronteras de la informática y exploran los misterios de la vida, la materia y el universo. Científicos de todo el mundo confían en las instalaciones del laboratorio para su propia ciencia de descubrimiento. Berkeley Lab es un laboratorio nacional multiprograma, administrado por la Universidad de California para la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU.