Las pilas de litio recicladas pueden funcionar mejor que las nuevas

Un nuevo método de reciclaje de baterías de litio ayudaría a satisfacer la creciente demanda.

Las baterías de iones de litio son la base de casi todos los vehículos eléctricos, ordenadores portátiles y teléfonos inteligentes, y son esenciales para almacenar energía renovable ante la emergencia climática. Pero todas las explotaciones mineras actuales del mundo son incapaces de extraer suficiente litio y otros minerales clave para satisfacer la creciente demanda de estas baterías. La creación de nuevas minas es un esfuerzo costoso y que dura años. Además, la minería crea una serie de problemas medioambientales -como el agotamiento de los recursos hídricos locales y la contaminación de la región circundante con escombros de escorrentía- que han provocado protestas contra las nuevas minas.

Todo esto significa que la capacidad de reciclar las baterías existentes es crucial para lograr cambios sostenibles en el sistema energético mundial. Pero el reciclado de baterías de iones de litio acaba de salir al mercado. Los fabricantes de baterías han dudado por miedo a que los productos reciclados sean de menor calidad que los fabricados a partir de minerales recién extraídos, lo que podría acortar la vida útil de la batería o dañar sus piezas internas. Las consecuencias podrían ser graves, sobre todo en una aplicación como los vehículos eléctricos.

Métodos de reciclado del litio de las pilas usadas

Pero una nueva investigación publicada en Joule ha desarrollado lo que los expertos describen como un método de reciclado más elegante que reacondiciona el cátodo, el cristal cuidadosamente mecanizado que es el componente más caro de la batería de iones de litio y la clave para proporcionar el voltaje correcto. Los investigadores descubrieron que las baterías fabricadas con la nueva técnica de reciclado de cátodos funcionan igual de bien que las que tienen un cátodo hecho desde cero. De hecho, las baterías con cátodo reciclado duran más y se cargan más rápido. El planteamiento del equipo y la demostración de su éxito son "realmente únicos e impresionantes", afirma Kang Xu, electroquímico del Laboratorio de Investigación del Ejército de Estados Unidos, que no participó en el estudio.

Yan Wang, catedrático de Ciencia de los Materiales del Instituto Politécnico de Worcester y coautor del nuevo estudio, empezó a investigar el reciclaje de pilas hace 11 años. Por aquel entonces, dice, "algunas personas bromeaban conmigo: 'No hay suficientes pilas para reciclar'". Esa broma no está envejeciendo bien. El Departamento de Energía calcula que el mercado de las pilas podría multiplicarse por 10 en la próxima década. Para paliar los problemas de crecimiento del mercado, "reciclar las baterías de iones de litio -devolver el material a la cadena de suministro- es fundamental", afirma Dave Howell, director de la Oficina de Tecnologías de Vehículos del DOE. El DOE ha financiado la nueva investigación en el marco de su enorme esfuerzo por estimular las innovaciones a gran escala en el reciclaje de baterías en Estados Unidos.

Funcionamiento de la batería de litio

Cuando una batería de iones de litio suministra energía, un grupo de iones de litio pasa de una "jaula" cristalina (el ánodo) a otra (el cátodo). Los métodos más comunes utilizados actualmente para reciclar estas baterías consisten en desmontar y aplastar toda la batería, para luego fundirla o disolverla en ácido. El resultado es una masa negra -con una consistencia que puede variar del polvo a la papilla- de la que se pueden recuperar elementos químicos o compuestos simples. Estos productos recuperados pueden someterse después al mismo proceso de producción comercial que se aplica a los elementos recién extraídos para obtener cátodos.

Wang y sus colegas utilizan un proceso muy similar, pero en lugar de descomponer completamente la pila en sus elementos químicos constituyentes, su técnica mantiene intacta parte de la composición crucial del antiguo cátodo. Tras descomponer la pila, retiran físicamente las partes menos costosas (como los circuitos electrónicos y la carcasa de acero de la pila) y las reciclan por separado. Lo que queda es principalmente el material del cátodo, que se disuelve en ácido y luego se eliminan las impurezas. A continuación, añaden cuidadosamente una pizca de elementos catódicos frescos, como níquel y cobalto, para garantizar que la proporción de ingredientes sea la correcta, otra diferencia respecto a los métodos de reciclaje habituales. Tras unos cuantos pasos más, el resultado es un polvo de cátodo efectivamente renovado, compuesto de diminutas partículas cristalinas que pueden pegarse a una tira de metal e insertarse en una batería "nueva".

Dado que el cátodo se fabrica con una mezcla precisa de minerales preciosos para alcanzar el voltaje específico de la pila, ligeros cambios en su estructura o composición pueden comprometer su rendimiento. Por eso, gran parte del valor del polvo catódico reside "en la forma en que se diseñaron las partículas [de polvo] en primer lugar", afirma Emma Kendrick, catedrática de materiales energéticos de la Universidad británica de Birmingham, que no participó en el nuevo estudio. Este valor se pierde si toda la batería se funde o disuelve de una sola vez, como ocurre con los métodos de reciclaje actuales.

La investigación de Wang para reciclar el litio

Wang y sus colegas compararon las partículas de su polvo de cátodo reciclado con las del polvo de cátodo producido comercialmente (principalmente a partir de minerales recién extraídos). Descubrieron que las partículas del polvo reciclado eran más porosas, con huecos especialmente grandes en el centro de cada una. Estas características permiten que el cristal del cátodo se hinche ligeramente cuando los iones de litio se infiltran en él, y este margen de maniobra impide que el cristal se agriete con tanta facilidad como los cátodos construidos desde cero. Estas grietas son una de las principales causas de degradación de las baterías con el paso del tiempo.

Más poros también significan más superficie expuesta, donde pueden tener lugar las reacciones químicas necesarias para cargar la batería, razón por la cual las baterías recicladas de Wang se cargan más rápido que sus homólogas producidas comercialmente. Según Wang, en el futuro se podrían diseñar todos los cátodos con esta estructura superior, y no sólo los fabricados con material reciclado.

Los últimos hallazgos demuestran que "el cátodo que pueden producir es tan bueno, o incluso mejor, que el material comercial que hemos importado", afirma Linda Gaines, analista de transporte del Laboratorio Nacional Argonne y científica jefe del ReCell Center, organización que estudia y promueve el reciclaje de pilas. (Estas importaciones proceden en gran parte de China, líder mundial en reciclaje de baterías. Pero esto significa que los materiales tienen que trasladarse de una parte a otra del mundo para ser reciclados, lo que aumenta la huella de carbono de las baterías recicladas y disminuye su atractivo como vía más sostenible. El planteamiento desarrollado por el equipo de Wang elimina una parte importante de los requisitos de comercio y transporte internacionales, creando una vía potencial para que otros países refuercen el reciclaje de pilas a nivel nacional. El proceso está siendo ampliado por Ascend Elements, antes Battery Resourcers, una empresa de reciclaje cofundada por Wang.