Convierten los residuos de las baterías en nueva materia prima de litio

A medida que se acelera la adopción global de vehículos eléctricos, las baterías al final de su vida útil se están convirtiendo rápidamente en un importante flujo de residuos. La extracción y el refinado del litio son costosos, y la mayoría de los métodos de reciclaje actuales requieren un alto consumo de energía y productos químicos, produciendo a menudo carbonato de litio que debe procesarse posteriormente para obtener hidróxido de litio para su reutilización.

En lugar de fundir o disolver materiales de batería triturados ("masa negra") en ácidos fuertes, un equipo de ingenieros de la Universidad Rice ha desarrollado un enfoque más limpio al recargar los materiales de desecho del cátodo para extraer iones de litio en agua, donde se combinan con hidróxido para formar hidróxido de litio de alta pureza.

“Nos planteamos una pregunta básica: si al cargar una batería se extrae el litio de un cátodo, ¿por qué no usar esa misma reacción para reciclarlo?”, dijo Sibani Lisa Biswal , directora del Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular de Rice y profesora William M. McCardell de Ingeniería Química. “Al combinar esta química con un reactor electroquímico compacto, podemos separar el litio de forma limpia y producir exactamente la sal que necesitan los fabricantes”.

El proceso de reciclaje

En una batería en funcionamiento, la carga extrae los iones de litio del cátodo. El sistema de Rice aplica el mismo principio a los materiales de desecho del cátodo, como el fosfato de hierro y litio. Al iniciarse la reacción, los iones de litio migran a través de una fina membrana de intercambio catiónico hacia una corriente de agua. En el contraelectrodo, otra reacción simple divide el agua para generar hidróxido. El litio y el hidróxido se combinan entonces en la corriente de agua para formar hidróxido de litio sin necesidad de ácidos agresivos ni productos químicos adicionales.

La investigación, publicada recientemente en Joule , demuestra un reactor de membrana-electrodo sin espacio libre que utiliza únicamente electricidad, agua y residuos de baterías. En algunos modos, el proceso requirió tan solo 103 kilojulios de energía por kilogramo de masa negra, aproximadamente un orden de magnitud menor que las rutas comunes de lixiviación ácida (sin contar los pasos de procesamiento adicionales). El equipo adaptó el dispositivo a 20 centímetros cuadrados, realizó una prueba de estabilidad de 1000 horas y procesó 57 gramos de masa negra industrial suministrada por su socio industrial TotalEnergies.

“La producción directa de hidróxido de litio de alta pureza acorta el proceso de fabricación de nuevas baterías”, afirmó Haotian Wang , profesor asociado de ingeniería química y biomolecular y coautor del estudio junto con Biswal. “Esto se traduce en menos pasos de procesamiento, menos residuos y una cadena de suministro más resiliente”.

Litio casi 100% puro

El proceso produjo hidróxido de litio con una pureza superior al 99 %, lo suficientemente limpio como para reintroducirlo directamente en la fabricación de baterías. Además, demostró una alta eficiencia energética, consumiendo tan solo 103 kilojulios de energía por kilogramo de residuo en un modo y 536 kilojulios en otro. El sistema demostró durabilidad y escalabilidad, manteniendo una tasa promedio de recuperación de litio cercana al 90 % durante 1000 horas de funcionamiento continuo.

El enfoque también funcionó con diversas composiciones químicas de baterías, incluyendo fosfato de hierro y litio, óxido de litio y manganeso, y variantes de níquel-manganeso-cobalto. Aún más prometedor, los investigadores demostraron el procesamiento rollo a rollo de electrodos completos de fosfato de hierro y litio directamente a partir de papel de aluminio, sin necesidad de raspado ni pretratamiento.

“La demostración de rollo a rollo muestra cómo esto podría conectarse a líneas de desmontaje automatizadas”, dijo Wang. “Se introduce el electrodo, se alimenta el reactor con electricidad baja en carbono y se extrae hidróxido de litio apto para baterías”.

A continuación, los investigadores planean ampliar la tecnología mediante el desarrollo de chimeneas de mayor superficie, el aumento de la carga de masa negra y el diseño de membranas hidrófobas más selectivas para mantener una alta eficiencia a mayores concentraciones de hidróxido de litio. También consideran el postratamiento (concentración y cristalización del hidróxido de litio) como la próxima gran oportunidad para reducir el consumo energético y las emisiones.

“Hemos logrado que la extracción de litio sea más limpia y sencilla”, afirmó Biswal. “Ahora vemos claramente el próximo cuello de botella. Si abordamos la concentración, lograremos una sostenibilidad aún mejor”.