Investigadores de la Universidad de Cornell han desarrollado una solución electroquímica que puede regenerar electrodos de baterías de iones de litio. Las baterías recicladas recuperan hasta el 95% de su energía original y extienden su vida útil cuando se reutilizan.
El proyecto de reciclaje de baterías de iones de litio, publicado en la revista Energy and Environmental Sciences por el autor principal Kiwon Kim, becario postdoctoral, fue dirigido por Viva Kalra, profesora Fred H. Rhodes de Ingeniería Química en el Instituto Politécnico Cornell Duffield.
Los coautores incluyen a los estudiantes de doctorado del Laboratorio Nacional Argonne, Chenlu Yang y Sabine Gallagher, con el apoyo adicional de una beca Pao-Wang.
Cambiar el enfoque lineal de “tomar, fabricar y tirar” respecto de las baterías
Incluso cuando las baterías de iones de litio usadas no causan incendios extremadamente calientes en los vehículos eléctricos, a menudo terminan en vertederos, donde sus químicos se filtran al medio ambiente. Además de este impacto negativo en la naturaleza, este enfoque entra en conflicto con el suministro global limitado de materias primas clave como el níquel y el cobalto necesarios para fabricar baterías de iones de litio.
«Cuando se crearon estas baterías de iones de litio, nadie pensó en cómo estos minerales estaban confinados en la corteza terrestre y que no podrían fabricarse para siempre», dijo Kalra. «En los últimos años, la gente ha empezado a darse cuenta de que no podemos seguir fabricando baterías porque no tenemos suficientes materiales. Y obviamente hay muchas vulnerabilidades geopolíticas, especialmente porque Estados Unidos no tiene muchas reservas».
Construyendo un ciclo doméstico para reciclar baterías de iones de litio
Los métodos tradicionales para reciclar baterías de iones de litio incluyen fundirlas a altas temperaturas para producir aleaciones y escoria (pirometalurgia), o triturarlas hasta convertirlas en polvo y tratarlas con ácidos fuertes (hidrometalurgia) para recuperar elementos clave.
Luego, los componentes deben resintetizarse y reensamblarse, un proceso que es costoso, requiere mucho tiempo y requiere mucho tiempo debido a la falta de infraestructura de extracción en los Estados Unidos.
El equipo de Kalra desarrolló un método llamado regeneración directa de electrodo a electrodo (DEER). En este método, se retiran los electrodos individuales de una batería usada, todavía unidos al colector de corriente, intactos y se colocan en una celda separada que contiene una solución electroquímica (1,3-dimetil-2-imidazolidinona). Esta solución disuelve la gruesa capa aislante conocida como interfaz de electrolito sólido. Esta capa aislante se acumula gradualmente entre el cátodo y el ánodo a medida que la batería circula, reduciendo gradualmente la capacidad con el tiempo.
«No los trituramos ni los convertimos en polvo, los reparamos tal como están y los volvemos a colocar en baterías nuevas», dijo Kalra, directora de la facultad Cathy Dwyer Marble y Curt Marble del Cornell Atkinson Sustainability Center, quien apoyó la investigación. «Básicamente, la fusión ayuda a restaurar la capacidad de la batería. Estamos mostrando una recuperación del 95%, por lo que estamos acortando significativamente el circuito de circulación».
Kalra y Kim colaboraron con Shwen Yue, profesor asistente en la Escuela de Ingeniería Química y Biomolecular RF Smith y coautor del artículo, para comprender mejor la dinámica de solvatación a medida que se disuelve la interfaz. Luego, el equipo aprovechó el software de código abierto desarrollado por colaboradores de investigación en el Centro ReCell del Laboratorio Nacional Argonne para realizar análisis de impacto tecnoeconómico y ambiental para determinar los impactos potenciales de los DEER.
El análisis mostró que, en comparación con los procesos plyo-hidráulicos, la producción de la celda reciclada cuesta un 56% menos y reduce los contaminantes nocivos del aire y el uso de agua.
El siguiente paso es demostrar DEER en baterías industriales, así como abordar otras formas de degradación de las baterías, como la pérdida de litio.
«Actualmente, el estado de salud de las baterías usadas que procesamos es del 70 al 80 por ciento, lo que es típico en aplicaciones de vehículos eléctricos», dijo Kalra. «Entonces, si podemos abordar algunos de estos otros mecanismos de degradación, podemos ampliar esa ventana».
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