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A día de hoy, una gran parte de las baterías de iones de litio acaba fuera del circuito productivo, acumulándose en vertederos o tratándose con procesos poco eficientes.
En este escenario, un equipo de científicos de la Universidad de Rice (EEUU) ha planteado un enfoque distinto: recuperar casi todos los materiales valiosos con procesos más suaves, rápidos y menos agresivos. La clave está en una combinación poco intuitiva: plasma generado por microondas y un ácido tan común como el del limón.
Los investigadores utilizaron un breve tratamiento de plasma inducido por microondas para recuperar casi todos los metales valiosos de los residuos de baterías mediante disolventes relativamente suaves a temperatura ambiente, como el ácido cítrico. El proceso también regeneró el grafito, el material principal del ánodo de una batería.
“Con el pretratamiento de plasma, casi el 95 % de los metales, incluido el litio, se pueden recuperar de la masa negra de las baterías utilizando solo el ácido presente en un limón”, dijo Gautam Chandrasekhar, estudiante de doctorado en el departamento de ciencia de materiales y nanoingeniería de la Universidad Rice y primer autor de un estudio pionero sobre un nuevo método de reciclaje de baterías.
Los protocolos de reciclaje actuales implican triturar los residuos de las baterías hasta obtener una sustancia conocida como masa negra, que contiene minerales como litio, cobalto, níquel, grafito, manganeso, aluminio y otros.
El procesamiento de la masa negra para la extracción de minerales generalmente requiere procesos industriales que consumen mucha energía, que implican altas temperaturas y ácidos fuertes, y las tasas de recuperación son desiguales. “Los procesos industriales de reciclaje de baterías que se utilizan hoy en día tienen una eficiencia de extracción de metales muy baja y se centran principalmente en el cátodo”, dijo Xiang Zhang , profesor asistente de investigación en Rice y coautor principal del estudio.
El litio puede ser particularmente difícil de recuperar de manera eficiente, y el grafito, que constituye aproximadamente el 22 % del peso de la batería, rara vez se devuelve a las baterías porque se daña durante los procesos de reciclaje convencionales.
“Este es uno de los aspectos más importantes a tener en cuenta con respecto al reciclaje de baterías: como el componente más voluminoso en las baterías de iones de litio, el grafito sigue siendo prácticamente insustituible como ánodo en las aplicaciones comerciales de baterías más extendidas”, dijo Sohini Bhattacharyya, científica investigadora del grupo Ajayan y autora principal del estudio.
Bhattacharyya dijo que el objetivo de la investigación era desarrollar un proceso de pretratamiento de un solo paso para el reciclaje de baterías que pudiera agregarse a los procesos industriales existentes para mejorar la eficiencia y reducir el impacto ambiental al tiempo que se recuperan “todos los materiales críticos, incluido el grafito”.
“Planteamos la hipótesis de que usar plasma inducido por microondas para descomponer las partículas de óxido metálico como paso de pretratamiento facilitaría su recuperación hidrometalúrgica en ácidos más débiles”, dijo Bhattacharyya.
Para probar su hipótesis, el equipo utilizó un reactor de plasma de microondas personalizado construido por Zhang. Tras exponer la masa negra a plasma inducido por microondas —un gas energizado de partículas cargadas— durante 15 minutos, se recuperó más del 90 % de los metales en un baño de ácido cítrico a temperatura ambiente, mientras que el litio se recuperó selectivamente en agua. Además, se comprobó que el tratamiento eliminaba los residuos y defectos estructurales que se acumulan en el grafito durante el uso de la batería.
“Este es uno de los aspectos más importantes a tener en cuenta con respecto al reciclaje de baterías: como el componente más voluminoso en las baterías de iones de litio, el grafito sigue siendo prácticamente insustituible como ánodo en las aplicaciones comerciales de baterías más extendidas”, dijo Sohini Bhattacharyya , científica investigadora del grupo Ajayan y autora principal del estudio.
Bhattacharyya dijo que el objetivo de la investigación era desarrollar un proceso de pretratamiento de un solo paso para el reciclaje de baterías que pudiera agregarse a los procesos industriales existentes para mejorar la eficiencia y reducir el impacto ambiental al tiempo que se recuperan “todos los materiales críticos, incluido el grafito”.
“Planteamos la hipótesis de que usar plasma inducido por microondas para descomponer las partículas de óxido metálico como paso de pretratamiento facilitaría su recuperación hidrometalúrgica en ácidos más débiles”, dijo Bhattacharyya.
Para probar su hipótesis, el equipo utilizó un reactor de plasma de microondas personalizado construido por Zhang. Tras exponer la masa negra a plasma inducido por microondas —un gas energizado de partículas cargadas— durante 15 minutos, se recuperó más del 90 % de los metales en un baño de ácido cítrico a temperatura ambiente, mientras que el litio se recuperó selectivamente en agua. Además, se comprobó que el tratamiento eliminaba los residuos y defectos estructurales que se acumulan en el grafito durante el uso de la batería.
"El grafito recuperado muestra un rendimiento excelente como ánodo al reintroducirse en una batería", afirmó Chandrasekhar.
La tecnología ha sido patentada y el equipo avanza hacia su comercialización. Los primeros análisis tecnoeconómicos sugieren que el proceso podría superar a los métodos industriales actuales, en particular al recuperar el grafito en una forma apta para su reutilización en baterías.
"Esta es una metodología revolucionaria para recuperar todos los minerales críticos de la masa negra de las baterías con un consumo mínimo de productos químicos y energía", afirmó Ajayan, catedrático Benjamin M. y Mary Greenwood Anderson de Ingeniería y profesor de ciencia de materiales y nanoingeniería en la Universidad Rice.
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