Un residuo electrónico convertido en pieza útil para producir hidrógeno: el material reciclado mantiene su actividad durante 180 horas de pruebas.
- 🔋 Batería de ion de litio usada como materia prima.
- ♻️ 99,7 % del cobalto extraído de su cátodo.
- 🧪 98 % de rendimiento al convertirlo en hidróxido de cobalto.
- ⚡ Electrodo de grafito, parafina y material reciclado.
- 💧 Aplicación directa en la electrólisis alcalina del agua.
- ⏱️ 180 horas de funcionamiento continuo sin pérdida significativa de actividad.
¿Por qué importa?
Una batería agotada todavía contiene materiales valiosos que costó energía, agua y recursos naturales extraer. Investigadores de la Universidad Federal de São João del-Rei (UFSJ), en Brasil, han demostrado que el cobalto de una batería de móvil desechada puede recuperarse y convertirse directamente en un material funcional para otra tecnología energética: electrodos destinados a la electrólisis del agua.
La idea introduce una vuelta interesante a la economía circular. El metal no necesariamente tiene que regresar a otra batería para seguir siendo útil.
Una batería Nokia vieja como punto de partida
El experimento comenzó de una manera bastante poco espectacular: con una batería comercial BL-5C de Nokia procedente de un teléfono desechado.
Los investigadores desmontaron manualmente la batería y separaron el material del cátodo, formado principalmente por óxido de litio y cobalto (LiCoO₂). Después del pretratamiento quedaron 5,3 gramos de material, que contenían teóricamente alrededor de 3,19 gramos de cobalto.
El siguiente paso fue separar químicamente ese cobalto. Para ello se empleó una disolución de ácido sulfúrico y peróxido de hidrógeno a 100 °C durante cinco horas.
El resultado fue una recuperación aparente del 99,7 % del cobalto disponible. De los aproximadamente 3,19 gramos presentes inicialmente, el análisis detectó unos 3,18 gramos en la disolución resultante.
De aproximadamente 3,19 gramos de cobalto presentes en el material tratado, alrededor de 3,18 gramos pasaron a la disolución: una eficiencia aparente de extracción del 99,7 %.
El cobalto no vuelve a convertirse en batería
Aquí aparece lo más interesante del trabajo.
Una ruta habitual de reciclaje persigue recuperar metales con suficiente pureza para volver a fabricar materiales de batería. El equipo brasileño exploró otra posibilidad: transformar el cobalto recuperado en hidróxido de cobalto [Co(OH)₂] y utilizarlo directamente como electrocatalizador.
Tras la extracción, los investigadores elevaron el pH de la disolución hasta 10 utilizando hidróxido de potasio. El cobalto precipitó entonces como Co(OH)₂, con un rendimiento aproximado del 98 %.
Ese material se mezcló posteriormente con grafito y parafina para fabricar un electrodo sólido. La formulación que mejor funcionó contenía un 40 % en masa de Co(OH)₂ dentro de la mezcla de grafito y material catalítico.
No se recurrió a una arquitectura sofisticada de varias capas ni a procesos complejos de deposición. El material reciclado quedó distribuido por todo el electrodo.
El objetivo no es únicamente recuperar cobalto. El trabajo demuestra que puede pasar de residuo de una batería a convertirse directamente en material funcional para otro dispositivo energético.
¿Qué pinta una batería vieja en la producción de hidrógeno?
Para obtener hidrógeno mediante electrólisis hay que separar electroquímicamente el agua. En un lado del electrolizador se genera hidrógeno y, en el otro, oxígeno.
Esta segunda mitad del proceso, denominada reacción de evolución de oxígeno (OER), resulta especialmente importante porque es relativamente lenta y obliga al sistema a consumir energía adicional para mantener la reacción.
Los catalizadores reducen esa barrera.
En los electrolizadores alcalinos existe además una ventaja: pueden utilizarse materiales basados en metales de transición como níquel, hierro o cobalto, reduciendo la dependencia de determinados metales nobles empleados en otras arquitecturas.
El material recuperado por los investigadores brasileños actúa precisamente en esa reacción de producción de oxígeno.
Cuando el electrodo funciona, el hidróxido de cobalto parece transformarse superficialmente en especies de oxihidróxido de cobalto (CoOOH), asociadas con una mayor actividad catalítica. Los propios autores son prudentes aquí: las medidas electroquímicas son compatibles con esa transformación, pero harían falta técnicas de caracterización in situ para confirmarla directamente.
Un electrodo sencillo que mejora claramente al grafito
El electrodo optimizado alcanzó una densidad de corriente de 10 mA/cm² con un sobrepotencial de aproximadamente 310 mV.
Dicho de una forma menos técnica: para conseguir que la reacción avance hay que aplicar voltaje adicional sobre el mínimo teórico. Cuanto menor sea ese exceso manteniendo una buena producción, mejor puede funcionar el catalizador.
Los 310 mV obtenidos son competitivos frente a varios electrocatalizadores estudiados previamente, aunque no constituyen un récord. El propio estudio recoge materiales experimentales con resultados mejores.
Eso no resta interés al trabajo porque aquí entra en juego otro factor: el material activo procede de una batería desechada y el electrodo tiene una arquitectura deliberadamente sencilla.
El electrodo reciclado alcanzó 10 mA/cm² con unos 310 mV de sobrepotencial. Su interés está en combinar una actividad razonablemente alta con material recuperado y fabricación sencilla.
Más superficie útil y menos resistencia
La incorporación del Co(OH)₂ reciclado produjo además dos cambios significativos frente al electrodo equivalente formado únicamente por grafito y parafina.
La capacitancia de doble capa pasó de 1,69 a 14,2 µF/cm², unas 8,4 veces más. Es un indicador de que existe una interfaz electroquímicamente accesible mucho mayor.
La resistencia de polarización descendió desde aproximadamente 11,4 hasta 3,15 kΩ·cm², una reducción cercana al 72 %.
En la práctica, el cobalto reciclado no está simplemente rellenando el electrodo. Está modificando de manera considerable la superficie que participa en las reacciones electroquímicas.
180 horas funcionando sin una caída significativa
Un buen resultado inicial sirve de poco si el material se degrada rápidamente. Por eso el equipo mantuvo el electrodo trabajando durante 180 horas consecutivas con un sobrepotencial de 310 mV.
La densidad de corriente permaneció alrededor de 10 mA/cm² durante toda la prueba, sin una pérdida significativa de actividad.
Incluso apareció un pequeño incremento de corriente que los investigadores relacionan con una posible activación progresiva de la superficie de cobalto.
Hay que poner ese resultado en contexto. Siete días y medio de ensayo continuo son interesantes para un experimento de laboratorio, pero quedan muy lejos de la vida operativa exigible a un electrolizador comercial.
180 horas continuas manteniendo aproximadamente 10 mA/cm². Una señal prometedora de estabilidad electroquímica, aunque todavía insuficiente para demostrar durabilidad industrial.
No todo el cobalto reciclado tendrá que volver a una batería
Existe una cuestión de fondo.
Cuando un material crítico se recupera, normalmente se piensa en devolverlo exactamente al producto del que procede. Batería vieja, batería nueva. Es una estrategia lógica y, en muchos casos, probablemente la opción de mayor valor.
Pero la economía circular también puede funcionar mediante reciclaje cruzado entre sectores.
Un material que ya no resulte adecuado o rentable para fabricar determinada batería podría conservar valor como catalizador, material electroquímico o materia prima para otro proceso.
El trabajo de la UFSJ apunta justamente hacia ese modelo: una corriente de residuos de la electrónica convertida en materia prima para tecnologías de producción de energía.
Las limitaciones que todavía quedan por resolver
El resultado no equivale a disponer de un nuevo electrodo comercial para fabricar hidrógeno.
El experimento utilizó una batería comercial desechada como materia prima y los electrodos se evaluaron en una celda de laboratorio de tres electrodos. No se ha demostrado todavía el funcionamiento dentro de un electrolizador completo a escala industrial.
Tampoco se determinó experimentalmente la eficiencia faradaica de producción de oxígeno. Es una limitación relevante: mantener corriente durante 180 horas demuestra estabilidad electroquímica, pero no permite afirmar que toda esa corriente se haya destinado a producir O₂ con una eficiencia determinada.
Los investigadores tampoco realizaron una caracterización estructural completa después de esas 180 horas. Por tanto, no puede asegurarse que la estructura microscópica del electrodo permaneciera intacta.
Hay otra cuestión ambiental importante. La recuperación utilizó ácido sulfúrico, peróxido de hidrógeno, hidróxido de potasio, calentamiento a 100 °C durante cinco horas y un tratamiento térmico previo a 400 °C durante tres horas. Una futura evaluación de ciclo de vida tendría que contabilizar energía, reactivos, agua y tratamiento de efluentes antes de determinar la ventaja ambiental neta frente a otras rutas de reciclaje.
No existe aún un electrolizador comercial basado en este electrodo. Faltan pruebas a mayor escala, eficiencia faradaica, ensayos de durabilidad mucho más largos y un análisis ambiental y económico completo del proceso de reciclaje.
Una Europa que necesitará recuperar cada vez más materiales
La regulación europea ayuda a entender por qué investigaciones de este tipo tienen interés más allá del laboratorio.
Además del objetivo de recuperación del 90 % del cobalto en 2027 y del 95 % en 2031, la normativa introduce progresivamente porcentajes mínimos de material reciclado en determinadas baterías. Desde agosto de 2031, ciertas baterías industriales y de vehículos eléctricos que contengan cobalto deberán incorporar un mínimo del 16 % de cobalto recuperado de residuos.
Esto crea presión para desarrollar cadenas de reciclaje mucho más eficientes, pero también abre una cuestión que suele recibir menos atención: habrá que encontrar aplicaciones de alto valor para las materias primas secundarias recuperadas.
La electrocatalisis podría ser una de ellas.
Potencial
La posibilidad más interesante no pasa por convertir todas las baterías viejas en electrodos para electrolizadores.
Sería poco realista.
El verdadero potencial está en construir cadenas de materiales más flexibles, capaces de dirigir cada corriente recuperada hacia la aplicación donde tenga mayor valor técnico, económico y ambiental.
Una planta de reciclaje podría recuperar litio, níquel, cobre, grafito y cobalto. Parte podría regresar a nuevas baterías. Otra fracción podría alimentar procesos químicos, catalizadores o sistemas electroquímicos.
Si además el reciclaje logra reducir progresivamente su consumo de reactivos, energía y agua, este tipo de aprovechamiento puede disminuir la necesidad de extraer continuamente materias primas vírgenes.
Ahí está el valor del experimento brasileño: una batería aparentemente agotada deja de contemplarse como un producto al final de su vida y empieza a verse como un pequeño depósito de materiales todavía aprovechables.
Ficha técnica
Cómo funciona
El cátodo de una batería usada de LiCoO₂ se separa y trata para extraer el cobalto. El metal pasa a una disolución y posteriormente precipita como Co(OH)₂. Ese material reciclado se mezcla con grafito y parafina para fabricar un electrodo que cataliza la reacción de evolución de oxígeno durante la electrólisis alcalina del agua.
En cifras
- 99,7 % de eficiencia aparente de extracción del cobalto.
- 98 % de rendimiento en la precipitación de Co(OH)₂.
- 40 % en masa de Co(OH)₂ en la mezcla catalítica óptima.
- 310 mV de sobrepotencial a 10 mA/cm².
- 72 % menos resistencia de polarización frente al electrodo de grafito/parafina.
- 180 horas de funcionamiento continuo sin pérdida significativa de actividad.
Qué tiene de diferente
El cobalto recuperado no se refabrica como material catódico para otra batería. Se transforma directamente en hidróxido de cobalto y pasa a cumplir una función diferente como electrocatalizador. Además, se incorpora directamente en una matriz sencilla de grafito y parafina, evitando etapas adicionales destinadas a producir materiales catalíticos más complejos.
Más información: Recycled Co(OH)₂ from spent LiCoO₂ cathodes as a low-cost graphite-based composite electrode for the oxygen evolution reaction
Deja una respuesta