Una nueva tecnología transforma residuos de baterías usadas en componentes de alto rendimiento, capaces de conservar el 70 % de su capacidad tras 2.590 ciclos.
- 🔋 2.590 ciclos de carga y descarga: las baterías experimentales conservaron el 70 % de su capacidad inicial después de superar esta cifra.
- ♻️ Más del 95 % de aprovechamiento: el procedimiento permite utilizar prácticamente todos los materiales residuales considerados en el proceso.
- 🌍 Un 27 % menos de emisiones: la evaluación ambiental estima una reducción de los gases de efecto invernadero frente al proceso de reciclaje de referencia.
- ⚡ Un 29,4 % menos de energía: el nuevo sistema podría disminuir considerablemente el consumo energético asociado al tratamiento de las baterías.
- 💰 Un 22,9 % más de rentabilidad: el análisis económico apunta a una mejora potencial respecto al método de referencia.
Un equipo de investigadores del Worcester Polytechnic Institute (WPI), en Estados Unidos, ha desarrollado un procedimiento para transformar residuos de baterías de iones de litio en nuevos componentes de alto rendimiento. Los resultados, publicados en la revista científica Advanced Energy Materials, demuestran que las baterías fabricadas con estos materiales recuperados pueden alcanzar una vida útil en ciclos casi dos veces superior a la de otras fabricadas con materiales comerciales, además de reducir el impacto ambiental del reciclaje.
De baterías usadas a nuevos materiales de alto rendimiento
El creciente uso de vehículos eléctricos, dispositivos electrónicos y sistemas de almacenamiento de energías renovables está aumentando la demanda de litio, níquel, cobalto, manganeso y grafito.
Estos materiales son esenciales para fabricar numerosas baterías, pero su extracción y procesamiento requieren recursos, energía e infraestructuras industriales.
Aunque existen tecnologías para recuperar parte de estos componentes, muchos procesos convencionales se concentran principalmente en los materiales del cátodo, uno de los dos electrodos principales de una batería.
El problema es que las baterías desechadas contienen mezclas de materiales con diferentes composiciones químicas y grados de degradación. Recuperarlos y convertirlos en componentes adecuados para fabricar nuevas celdas puede resultar complejo y costoso.
Para superar esta limitación, el equipo dirigido por el profesor Yan Wang, especialista en ingeniería mecánica y de materiales del WPI, ha desarrollado una estrategia de upcycling o suprarreciclaje.
A diferencia del reciclaje convencional, que busca recuperar materias primas reutilizables, el suprarreciclaje pretende transformar los residuos en productos de mayor valor tecnológico.
En este caso, los investigadores no se limitaron a recuperar metales: consiguieron fabricar nuevos materiales para los dos electrodos de una batería.
Cómo funciona el nuevo sistema de reciclaje
La investigación combina dos procedimientos de recuperación y mejora de materiales que permiten aprovechar tanto los residuos del cátodo como los del ánodo.
1. Transformación de los materiales del cátodo
Los investigadores utilizaron mezclas de materiales procedentes de cátodos usados con bajo contenido de níquel.
A partir de estos residuos, obtuvieron un nuevo material denominado NMC622, compuesto por níquel, manganeso y cobalto en una proporción aproximada de 6:2:2.
Esta composición se utiliza en baterías de iones de litio por su combinación de capacidad de almacenamiento, estabilidad y rendimiento electroquímico.
Las pruebas mostraron que el material recuperado presentaba propiedades favorables para el transporte de iones de litio y una mayor estabilidad durante los sucesivos ciclos de funcionamiento.
Estas características son importantes porque la degradación progresiva de los electrodos constituye una de las principales causas de pérdida de capacidad de las baterías.
2. Recuperación y mejora del grafito del ánodo
El segundo procedimiento se centró en el grafito, un material ampliamente utilizado para fabricar los ánodos de las baterías comerciales.
En lugar de desecharlo, el equipo desarrolló un tratamiento para purificarlo y modificar sus propiedades.
El resultado fue un grafito recuperado apto para utilizarse como material de ánodo, con mejoras en su comportamiento electroquímico.
En particular, los investigadores observaron una cinética interfacial más favorable, relacionada con los procesos de transferencia de carga que se producen durante el funcionamiento de la batería.
También comprobaron una mayor durabilidad del material.
La principal innovación consiste en aprovechar y mejorar simultáneamente los materiales de ambos electrodos, algo especialmente interesante para reducir la dependencia de materias primas vírgenes.
Las baterías recicladas superaron a las comerciales en las pruebas
Una vez obtenidos los nuevos materiales, el equipo fabricó celdas completas de tipo pouch, un formato de batería flexible utilizado en aplicaciones comerciales.
Estas celdas incorporaban materiales suprarreciclados tanto en el cátodo como en el ánodo.
Posteriormente, los investigadores evaluaron su comportamiento mediante sucesivos ciclos de carga y descarga, comparándolo con el de celdas construidas con materiales comerciales.
Los resultados mostraron una reducción de las reacciones secundarias no deseadas, que pueden acelerar la degradación de los componentes internos.
Además, las nuevas celdas alcanzaron aproximadamente el doble de vida útil en ciclos que las utilizadas como referencia.
Uno de los resultados más destacados fue que conservaron el 70 % de su capacidad original después de 2.590 ciclos.
Este dato es especialmente relevante porque demuestra que los materiales procedentes de baterías desechadas no tienen por qué ofrecer prestaciones inferiores a las de los materiales nuevos.
Sin embargo, conviene distinguir entre la vida útil medida en ciclos y la duración real de una batería instalada en un vehículo eléctrico.
La autonomía, la temperatura de funcionamiento, la profundidad de descarga y las condiciones de utilización también influyen en su degradación.
Por tanto, los resultados no significan que un coche eléctrico equipado con estas baterías vaya a durar automáticamente el doble, sino que las celdas experimentales demostraron una resistencia al envejecimiento por ciclos considerablemente superior en las condiciones estudiadas.
Menos emisiones, menor consumo energético y mayor aprovechamiento
Además de evaluar el rendimiento electroquímico, los investigadores analizaron las posibles ventajas ambientales y económicas del procedimiento.
Los resultados indican que el suprarreciclaje podría ofrecer beneficios en tres ámbitos fundamentales.
- Reducción de residuos. El aprovechamiento de más del 95 % de los materiales de desecho considerados permitiría disminuir la cantidad de residuos que requieren otros tratamientos o eliminación.
- Menor impacto climático. La reducción estimada del 27 % en las emisiones de gases de efecto invernadero responde a la comparación con una ruta de reciclaje de referencia, no con todas las tecnologías disponibles ni con la fabricación completa de una batería nueva.
- Mayor eficiencia energética. El descenso calculado del 29,4 % en el consumo de energía podría contribuir a mejorar el balance ambiental de las instalaciones de reciclaje.
Desde el punto de vista económico, la rentabilidad potencial aumentaría un 22,9 % respecto al proceso de referencia evaluado.
Esta mejora resulta especialmente interesante para una industria en la que el coste del tratamiento y el valor de los materiales recuperados condicionan la viabilidad de las plantas.
No obstante, estas cifras proceden de evaluaciones del proceso y deben diferenciarse de resultados económicos y ambientales verificados en una instalación comercial funcionando a gran escala.
Una posible solución para la economía circular de las baterías
El avance podría tener implicaciones importantes para el futuro de la movilidad eléctrica y el almacenamiento estacionario de energía.
Las baterías de iones de litio desempeñan un papel fundamental en la electrificación del transporte y en la integración de fuentes renovables como la solar y la eólica.
Sin embargo, para que estas tecnologías reduzcan su impacto ambiental a largo plazo, también es necesario mejorar la gestión de los materiales al final de su vida útil.
La recuperación de componentes de alto valor puede contribuir a reducir la necesidad de extraer nuevos recursos minerales y aumentar la resiliencia de las cadenas de suministro.
Además, aprovechar mezclas de residuos resulta especialmente relevante porque las baterías que llegan a las instalaciones de reciclaje no siempre presentan una composición uniforme.
Convertir esas mezclas en materiales con especificaciones adecuadas para nuevas celdas podría facilitar su reincorporación a la industria.
El siguiente desafío será demostrar que las mejoras observadas pueden mantenerse en procesos industriales continuos, con grandes volúmenes de residuos y composiciones variables.
También será necesario comprobar la estabilidad de las nuevas baterías en condiciones reales de utilización y evaluar los costes de fabricación a escala comercial.
La investigación supone un paso hacia un modelo en el que las baterías usadas dejen de considerarse únicamente residuos y se conviertan en una fuente de materiales avanzados para fabricar sistemas de almacenamiento de energía de nueva generación.
Vía www.wpi.edu
Más información: Upcycling Strategy for Mixed Spent Batteries to Enable NMC622 & Graphite Full Batteries
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