Un método más rápido y limpio recupera litio de los residuos de baterías

Los investigadores han ideado un método rápido, eficiente y respetuoso con el medio ambiente para la recuperación selectiva de litio a partir de residuos de baterías mediante radiación de microondas y un disolvente fácilmente biodegradable.

El «oro blanco» de la energía limpia, el litio, es un ingrediente clave en baterías grandes y pequeñas, desde aquellas que alimentan teléfonos y computadoras portátiles hasta sistemas de almacenamiento de energía a escala de red.

Aunque es relativamente abundante, es posible que pronto haya oferta de metal blanco plateado debido a un panorama complejo de fuentes afectadas por el auge de los vehículos eléctricos (EV), los objetivos netos cero y factores geopolíticos.

Valorado en más de 65 mil millones de dólares en 2023, se espera que el mercado mundial de baterías de iones de litio (LIB) crezca más del 23% en los próximos ocho años, lo que probablemente aumentará los desafíos existentes en el suministro de litio.

Además, recuperar litio de baterías agotadas es ambientalmente gravoso y altamente ineficiente, algo que un equipo de investigadores de la Universidad Rice dirigido por Pulickel Ajayan está trabajando para cambiar.

El nuevo estudio aparece en Materiales funcionales avanzados.

Los hallazgos muestran que el nuevo proceso puede recuperar hasta el 50% del litio en los cátodos LIB gastados en menos de 30 segundos, superando un importante cuello de botella en la tecnología de reciclaje de LIB.

«Hemos visto un crecimiento colosal en el uso de LIB en los últimos años, lo que inevitablemente genera preocupaciones sobre la disponibilidad de metales críticos como el litio, el cobalto y el níquel que se utilizan en los cátodos», dice Sohini, uno de los dos líderes. . coautores del estudio y becario postdoctoral en el Laboratorio de Nanomateriales dirigido por Ajayan. «Por eso es realmente importante reciclar los LIB gastados para recuperar estos metales».

Los métodos de reciclaje convencionales a menudo implican ácidos fuertes, mientras que los disolventes alternativos respetuosos con el medio ambiente, como los disolventes eutécticos profundos (DES), han tenido problemas con la eficiencia y la viabilidad económica. Además, los métodos de reciclaje actuales recuperan menos del 5% del litio, principalmente debido a la contaminación y las pérdidas durante el proceso, así como a la naturaleza intensiva en energía de la recuperación.

«La tasa de recuperación es muy baja porque el litio suele precipitarse en último lugar después de todos los demás metales, por lo que nuestro objetivo era comprender cómo podemos atacar específicamente al litio», dice Salma Alhashim, alumna de doctorado y otra autora principal del estudio.

«Aquí utilizamos DES, que es una mezcla de cloruro de colina y etilenglicol, sabiendo por nuestro trabajo anterior que durante la lixiviación en este DES, el litio es reemplazado por iones de cloruro de cloruro de colina y se libera en solución».

Para lixiviar otros metales como el cobalto o el níquel, en el proceso deben intervenir tanto el cloruro de colina como el etilenglicol. Sabiendo que de las dos sustancias sólo el cloruro de colina es bueno para absorber las microondas, los investigadores sumergieron el material de desecho de la batería en el disolvente y lo bombardearon con radiación de microondas.

«Esto nos permitió oxidar selectivamente el litio frente a otros metales», afirma Bhattacharyya. «El uso de radiación de microondas para este proceso es similar a cómo un microondas de cocina calienta los alimentos rápidamente. La energía se transfiere directamente a las moléculas, lo que hace que la reacción ocurra mucho más rápido que los métodos de calentamiento convencionales».

En comparación con los métodos de calentamiento convencionales, como el baño de aceite, el calentamiento asistido por microondas puede lograr eficiencias similares casi 100 veces más rápido. Por ejemplo, utilizando el proceso basado en microondas, el equipo descubrió que se necesitaban 15 minutos para que el 87% del litio se lixiviara, en comparación con las 12 horas necesarias para lograr la misma tasa de recuperación calentando el baño de aceite.

«Esto también muestra que la selectividad hacia elementos específicos se puede lograr simplemente ajustando la composición del DES», dice Alhashim. «Otra ventaja es la estabilidad del disolvente: como el método del baño de aceite tarda mucho más, el disolvente empieza a descomponerse, mientras que esto no ocurre con los cortos ciclos de calentamiento de un microondas».

Este método innovador puede mejorar drásticamente la economía y el impacto ambiental del reciclaje de LIB, proporcionando una solución sostenible a un problema global creciente.

«Este método no sólo mejora la tasa de recuperación sino que también minimiza el impacto ambiental, lo que lo convierte en un paso prometedor hacia el despliegue de sistemas de reciclaje basados ​​en DES a escala para la recuperación selectiva de metales», dice Ajayan, autor correspondiente del estudio, profesor de ingeniería. y profesor y presidente del departamento de ciencia de materiales y nanoingeniería.

Fuente: Universidad Rice