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Solución para el reciclado de baterías de Ion Litio

Los investigadores de la Universidad de Rice tienen una solución para el reciclado de baterías de Ion Litio usadas que, a causa de la demanda cada vez mayor de vehículos eléctricos, teléfonos celulares y otros dispositivos electrónicos, también está aumentando.

El laboratorio del grupo de investigación de Pulickel Ajayan en la Universidad de Rice  utilizó un solvente eutéctico profundo respetuoso con el medio ambiente para extraer elementos valiosos de los óxidos metálicos comúnmente utilizados como cátodos en baterías de iones de litio.

El objetivo, dijeron los investigadores, es reducir el uso de procesos difíciles para reciclar las baterías y mantenerlas fuera de los vertederos.

El solvente, hecho de productos básicos cloruro de colina y etilenglicol , extrajo más del 90 por ciento de cobalto de los compuestos en polvo, y una cantidad más pequeña pero significativa de las baterías usadas.

“El desperdicio de la batería recargable, particularmente de las baterías de iones de litio, se convertirá en un desafío ambiental cada vez más amenazante en el futuro a medida que la demanda de estos a través de su uso en vehículos eléctricos y otros dispositivos aumentará dramáticamente”, dijo Ajayan.

“Es importante recuperar metales estratégicos como el cobalto que tienen un suministro limitado y son críticos para el rendimiento de estos dispositivos de almacenamiento de energía”, dijo el investigador principal. “Algo que aprender de nuestra situación actual con los plásticos es que es el momento adecuado para tener una estrategia integral para reciclar el creciente volumen de desechos de baterías”.

Los resultados aparecen en Nature Energy .

“Esto se ha intentado antes con ácidos”, dijo el estudiante graduado de Rice y autor principal Kimmai Tran. “Son eficaces, pero son corrosivos y no ecológicos. En general, el reciclaje de baterías de iones de litio suele ser costoso y representa un riesgo para los trabajadores “.

Otros procesos también tienen inconvenientes, dijo. La pirometalurgia implica trituración y mezcla a temperaturas extremas, y los vapores dañinos requieren limpieza. La hidrometalurgia requiere sustancias químicas cáusticas, mientras que otros solventes “verdes” que extraen iones metálicos a menudo requieren agentes adicionales o procesos de alta temperatura para capturarlos completamente.

El color azul-verde de las soluciones revela la presencia de cobalto tomado de las baterías gastadas de iones de litio a través de un nuevo proceso desarrollado en la Universidad Rice. Foto por Jeff Fitlow

“Lo bueno de este solvente eutéctico profundo es que puede disolver una gran variedad de óxidos metálicos”, dijo Tran. “Está literalmente hecho de un aditivo para piensos para pollos y un precursor plástico común que, cuando se mezcla a temperatura ambiente, forma una solución clara y relativamente no tóxica que tiene propiedades solventes efectivas”.

Un solvente eutéctico profundo es una mezcla de dos o más compuestos que se congela a temperaturas mucho más bajas que cada uno de sus precursores. De esa manera, dijo, uno puede literalmente obtener un líquido de una simple combinación de sólidos.

“La gran depresión de los puntos de congelación y fusión se debe a los enlaces de hidrógeno formados entre los diferentes productos químicos”, dijo Tran. “Al seleccionar los precursores correctos, se pueden fabricar solventes” verdes “económicos con propiedades interesantes”.

Una solución se vuelve verde al extraer el cobalto de un cátodo de iones de litio gastado. Un laboratorio de la Universidad Rice está desarrollando un método respetuoso con el medio ambiente para recuperar metales valiosos de las baterías usadas. Foto por Jeff Fitlow

Cuando Tran se unió, el grupo Rice ya estaba probando una solución eutéctica como electrolito en los supercapacitores de alta temperatura de la próxima generación. “Tratamos de usarlo en supercapacitores de óxido de metal, y los estaba disolviendo” —dijo el científico investigador de Rice y coautor del artículo, Babu Ganguli— “El color de la solución cambiaba”.

El eutéctico estaba extrayendo iones del níquel del supercapacitor. “Nuestro equipo estaba discutiendo esto y pronto nos dimos cuenta de que podíamos usar lo que se pensaba que era una desventaja para el electrolito como una ventaja para disolver y reciclar las baterías de litio gastadas”, dijo Ganguli.

Eso se convirtió en el foco de Tran, ya que probó solventes eutécticos profundos en óxidos metálicos a diferentes temperaturas y escalas de tiempo. Durante las pruebas con polvo de óxido de cobalto y litio, el solvente transparente produjo un amplio espectro de colores azul verdoso que indicaron la presencia de cobalto disuelto en su interior.

A 180 grados Celsius (356 grados Fahrenheit), el solvente extrajo casi el 90 por ciento de los iones de litio y hasta el 99 por ciento de los iones de cobalto del polvo cuando se cumplieron ciertas condiciones.

Los investigadores construyeron pequeñas prototipos de baterías y las pasaron 300 veces antes de exponer los electrodos a las mismas condiciones. El disolvente demostró ser adepto a disolver el cobalto y el litio mientras separa los óxidos metálicos de los otros compuestos presentes en el electrodo.

Encontraron que el cobalto podría recuperarse de la solución eutéctica mediante precipitación o incluso galvanoplastia en una malla de acero, ya que este último método potencialmente permitía que el propio disolvente eutéctico profundo fuera reutilizado.

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El científico investigador de la Universidad Rice, Babu Ganguli, y la estudiante graduada Kimmai Tran muestran tubos de ensayo con su disolvente eutéctico y concentraciones variables de cobalto extraído en la solución. Están desarrollando el solvente para extraer el cobalto y el litio de las baterías gastadas de iones de litio. Foto por Jeff Fitlow

La National Science Foundation apoyó la investigación a través de su Programa de becas de investigación para graduados.

Fuente: Rice University