La gran pregunta sin respuesta de las baterías de litio (2023)

A medida que el zumbido silencioso de los vehículos eléctricos reemplaza gradualmente las revoluciones y los gases nocivos de los motores de combustión interna, una serie de cambios se filtrarán a través de nuestro mundo familiar. El olor abrumador de las estaciones de servicio se desvanecerá en estaciones de carga sin olor donde los automóviles pueden recargar sus baterías según sea necesario. Mientras tanto, los sitios de generadores a gas que salpican el horizonte pueden adaptarse para albergarbaterías masivas que algún día podrían alimentar ciudades enteras con energía renovable.

Este futuro electrificado está mucho más cerca de lo que piensas. Motores generalesanunció a principios de este año que planea dejar de vender vehículos a gasolina para 2035.El objetivo de Audi es dejar de producirlos para 2033, y muchas otras grandes empresas automotrices están siguiendo su ejemplo. De hecho,según BloombergNEF, dos tercios de las ventas mundiales de vehículos de pasajeros serán eléctricos para 2040. Y los sistemas a escala de red en todo el mundo soncreciendo rápidamente gracias al avance de la tecnología de almacenamiento de baterías.

Si bien esto puede sonar como el camino ideal hacia la energía sostenible y los viajes por carretera, existe un gran problema. Actualmente, las baterías de iones de litio (Li) son las que se usan normalmente en los vehículos eléctricos y las megabaterías se usan para almacenar energía de las energías renovables, y las baterías de litio son difíciles de reciclar.

Una de las razones es que los métodos más utilizados para reciclar baterías más tradicionales, como las baterías de plomo-ácido, no funcionan bien con las baterías de litio. Estos últimos suelen ser más grandes, más pesados, mucho más complejos e inclusopeligroso si se desmonta mal.

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En su planta de reciclaje de baterías promedio, las partes de la batería se trituran hasta convertirlas en polvo, y luego ese polvo se derrite (pirometalurgia) o se disuelve en ácido (hidrometalurgia). Pero las baterías de Li están compuestas por muchas partes diferentes que podrían explotar si no se desmontan con cuidado. E incluso cuando las baterías de litio se descomponen de esta manera, los productos no son fáciles de reutilizar.

"El método actual de simplemente triturar todo y tratar de purificar una mezcla compleja da como resultado procesos costosos con productos de bajo valor", dice Andrew Abbott, químico físico de la Universidad de Leicester. como resultado,cuesta más reciclarlos que extraer más litiopara hacer unos nuevos. Además, dado que las formas baratas y a gran escala de reciclar baterías de litio se están quedando atrás, solocomo 5%de las baterías de Li se reciclan en todo el mundo, lo que significa que la mayoría simplemente se desperdicia.

Pero a medida que aumenta la demanda de vehículos eléctricos,como se proyecta, elimpulso para reciclarmás de ellos se lanzará a través de la industria de baterías y vehículos de motor.

Extraer y procesar litio requiere grandes cantidades de agua y energía, y se ha relacionado con problemas ambientales cerca de las instalaciones de litio (Crédito: Alamy)

Si los millones y millones de baterías de Li que producirándespués de unos 10 años más o menos de usose reciclan de manera más eficiente, sin embargo, ayudará a neutralizar todo ese gasto energético. Varios laboratorios han estado trabajando para refinar métodos de reciclaje más eficientes para que, eventualmente, una forma estandarizada y ecológica de reciclar baterías de Li esté lista para satisfacer la creciente demanda.

"Tenemos que encontrar formas de hacer que entre en lo que llamamos un ciclo de vida circular, porque el litio, el cobalto y el níquel requieren mucha electricidad y mucho esfuerzo para ser extraídos, refinados y convertidos en baterías. Ya no podemos tratar las baterías como desechables", dice Shirley Meng, profesora de tecnologías energéticas en la Universidad de California en San Diego.

Cómo reciclar baterías de Li

ACelda de batería de litiotiene un cátodo de metal, o electrodo positivo que recolecta electrones durante la reacción electroquímica, hecho de litio y una mezcla de elementos que típicamente incluyen cobalto, níquel, manganeso y hierro. También tiene un ánodo, o el electrodo que libera los electrones al circuito externo, hecho de grafito, un separador y un electrolito de algún tipo, que es el medio que transporta los electrones entre el cátodo y el ánodo. Los iones de litio que viajan del ánodo al cátodo forman una corriente eléctrica. Los metales en el cátodo son las partes más valiosas de la batería, y los químicos se enfocan en conservarlos y restaurarlos cuando desmantelan una batería de Li.

Meng dice que piense en una batería de litio como una estantería con muchas capas, y los iones de litio se mueven rápidamente a través de cada estante, volviendo cada vez al estante superior, un proceso llamadointercalación. Después de años y años, la estantería naturalmente comienza a desmoronarse y colapsar. Entonces, cuando químicos como Meng desmantelan una batería de Li, ese es el tipo de degradación que ven en la estructura y los materiales.

"De hecho, podemos encontrar los mecanismos, [y] ya sea usando calor o algún tipo de método de tratamiento químico, podemos volver a colocar la estantería [junta]", dice Meng. "Entonces podemos dejar que esos materiales reciclados y reacondicionados regresen a la línea de ensamblaje a las fábricas [de baterías de litio] para convertirlos en baterías nuevas".

Las baterías de litio son más complejas internamente que las baterías de plomo-ácido y están compuestas por muchas piezas cuidadosamente ensambladas (Crédito: Getty Images)

Mejorar el reciclaje de baterías de litio y, en última instancia, hacer que sus piezas sean reutilizables reinfundirá valor a las baterías de litio que ya existen. Es por eso que los científicos abogan por el proceso de reciclaje directo que describe Meng, porque puede dar una segunda vida a las partes más valiosas de las baterías de Li, como el cátodo y el ánodo. Esto podría compensar significativamente la energía, el desperdicio y los costos asociados con su fabricación.

Pero el desmontaje de las baterías de Li actualmente se realiza predominantemente a mano en entornos de laboratorio, lo que deberá cambiar si se quiere que el reciclaje directo compita con los métodos de reciclaje más tradicionales. "En el futuro, será necesario que haya más tecnología en el desmontaje", dice Abbott. "Si una batería se ensambla con robots, es lógico que se desmonte de la misma manera".

Recuento de carbono

El equipo de Abbott en la Institución Faraday en el Reino Unido está investigando el desmontaje robótico de baterías de Li como parte del Proyecto ReLib, que se especializa en el reciclaje y la reutilización de baterías de Li. El equipo también encontró una manera de lograr el reciclaje directo del ánodo y el cátodo utilizando unsonda ultrasónica, "como lo que usa el dentista para limpiarte los dientes", explica. "Enfoca el ultrasonido en una superficie que crea pequeñas burbujas que implosionan y expulsan el revestimiento de la superficie". Este proceso evita tener que triturar las piezas de la batería, lo que puede dificultar enormemente su recuperación.

Según la investigación del equipo de Abbott,este método de reciclaje ultrasónico puede procesar 100 veces más materialdurante el mismo período que el más tradicionalhidrometalurgiamétodo. Él dice que también se puede hacer por menos de la mitad del costo de crear una batería nueva a partir de material virgen.

Abbott cree que el proceso se puede aplicar fácilmente a escala y usarse en baterías más grandes basadas en la red, porque normalmente tienen la misma estructura de celdas de batería, solo que contienen más celdas. Sin embargo, el equipo actualmente solo lo está aplicando a la chatarra de producción, de la cual las piezas son más fáciles de separar porque ya están libres de sus carcasas. Sin embargo, las pruebas de desmantelamiento robótico del equipo están aumentando. "Tenemos una unidad de demostración que actualmente funciona con electrodos completos y esperamos en los próximos 18 meses poder mostrar un proceso automatizado que funcione en una planta de producción", dice Abbott.

Baterías degradables

Algunos científicos abogan por alejarse de las baterías de litio en favor de otras que se puedan producir y descomponer de formas más ecológicas. Jodie Lutkenhaus, profesora de ingeniería química en la Universidad Texas A&M, ha estado trabajando en una batería que está hecha de sustancias orgánicas que pueden degradarse cuando se les ordena.

"Muchas baterías hoy en día no se reciclan debido al costo de energía y mano de obra asociado", dice Lutkenhaus. "Las baterías que se degradan en el momento pueden simplificar o reducir la barrera para el reciclaje. Eventualmente, estos productos de degradación podrían reconstituirse en una batería nueva y fresca, cerrando el ciclo del ciclo de vida de los materiales".

Es un argumento justo teniendo en cuenta que, incluso cuando se desmantela una batería de litio y se reacondicionan sus partes, todavía habrá algunas partes que no se pueden guardar y se desperdician. Una batería degradable como laEl equipo de Lutkenhaus está trabajando enpodría ser una fuente de energía más sostenible.

Baterías de radicales orgánicos (ORB)han existido desde la década de 2000 y funcionan con la ayuda de materiales orgánicos que se sintetizan para almacenar y liberar electrones. "Una batería de radicales orgánicos tiene dos de estos [materiales], ambos actuando como electrodos, que funcionan en conjunto para almacenar y liberar electrones, o energía, juntos", explica Lutkenhaus.

El equipo usa un ácido para descomponer sus ORB en aminoácidos y otros subproductos, sin embargo, las condiciones deben ser las adecuadas para que las partes se degraden correctamente. "Finalmente encontramos que el ácido a temperatura elevada funcionó", dice Lutkenhaus.

Sin embargo, hay una serie de desafíos por delante para esta batería degradable. Los materiales necesarios para crearlo son caros y aún tiene que proporcionar la cantidad de energía necesaria para aplicaciones de alta demanda como vehículos eléctricos y redes eléctricas. Pero quizás el mayor desafío de las baterías degradables como la cara de Lutkenhaus es competir con la ya bien establecida batería de Li.

A medida que aumente la demanda de vehículos eléctricos en las próximas décadas, también crecerá la necesidad de encontrar una forma de reciclar sus baterías (Crédito: Getty Images)

El siguiente paso para los científicos que impulsan el reciclaje directo de baterías de litio es trabajar con los fabricantes de baterías y las plantas de reciclaje para optimizar el proceso desde la construcción hasta la descomposición.

"Realmente estamos alentando a todos los fabricantes de celdas de batería a que codifiquen todas las baterías para que con las técnicas de IA robótica podamos clasificar fácilmente las baterías", dice Meng. "Se necesita que todo el campo coopere entre sí para que eso suceda".

Las baterías de litio se utilizan para alimentar muchos dispositivos diferentes, desde computadoras portátiles hasta automóviles y redes eléctricas, y la composición química difiere según el propósito, a veces de manera significativa. Esto debería reflejarse en la forma en que se reciclan. Los científicos dicen que las plantas de reciclaje de baterías deben separar las diversas baterías de Li en flujos separados, de forma similar a cómo se clasifican los diferentes tipos de plástico cuando se reciclan, para que el proceso sea más eficiente.

Y a pesar de que se enfrentan a una batalla cuesta arriba, las baterías más sostenibles están entrando en escena de forma lenta pero segura. "Ya podemos ver diseños ingresando al mercado que facilitan el montaje y el desmontaje, y es probable que este sea un tema importante en el desarrollo futuro de baterías", dice Abbott.

Por el lado de la producción, los fabricantes de baterías y automóviles estántrabajando en la reducciónsobre los materiales necesarios para construir baterías de Li para ayudar a reducir el gasto de energía durante la minería y los desechos que genera cada batería al final de su vida útil.

Los fabricantes de automóviles eléctricos también han comenzado a reutilizar y reutilizar sus propias baterías de diferentes maneras. Por ejemplo, Nissan esRestauración de baterías de automóviles Leaf viejasy ponerlos en vehículos guiados automatizados que traen piezas a sus fábricas.

Badenes por delante

La creciente demanda del mercado de vehículos eléctricos ya hace que las empresas de la industria automotriz gasten miles de millones de dólares para aumentar la sostenibilidad de las baterías de litio. Sin embargo, China es actualmente elmayor productor de baterías de Lide lejos, y posteriormenteadelante cuando se trata de reciclarlos.

Hasta ahora, China produce la mayor cantidad de baterías de litio y también tiene más capacidad para reciclarlas que otros productores (Crédito: Getty Images)

La adopción generalizada de métodos estandarizados para reciclar baterías de litio que incluyan flujos de clasificación para los diferentes tipos los acercará un paso más. Mientras tanto, el uso de tecnología de inteligencia artificial para restaurar las partes más útiles, como el cátodo, podría ayudar a los países con pequeños suministros de componentes de baterías de litio a no tener que depender tanto de China.

Desarrollandonuevas baterías que podrían rivalizar con la batería de Liprobablemente también sacudirá la industria al crear una competencia saludable. "Creo que el mundo es mejor si diversificamos la cartera de almacenamiento de baterías, particularmente para el almacenamiento en red", dice Meng.

El advenimiento de una batería menos compleja, más segura, más barata de fabricar y más fácil de separar al final de su vida útil es la respuesta definitiva al problema actual de sostenibilidad de los vehículos eléctricos. Pero hasta que aparezca una batería de este tipo, la estandarización del reciclaje de baterías de litio es un paso significativo en la dirección correcta.

Y alrededor de 2025, cuando millones de baterías de vehículos eléctricos lleguen al final de sus ciclos de vida iniciales, un proceso de reciclaje simplificado parecerá mucho más atractivo para las economías de todo el mundo. Entonces, tal vez, para cuando los vehículos eléctricos se conviertan en la forma de transporte predominante, habrá una buena posibilidad de que sus baterías se estén preparando para una segunda vida.

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