Un nuevo método de calentamiento Joule recupera materiales de baterías de litio

Un equipo de investigación de la Universidad de Rice, liderado por James Tour, desarrolló un innovador proceso de calentamiento Joule en dos etapas, conocido como FJH-ClO, que permite separar rápidamente el litio y metales de transición de baterías de iones de litio usadas. Este método ofrece una alternativa ecológica y eficiente en energía a las técnicas de reciclaje convencionales, un avance que responde a la creciente demanda global de baterías para vehículos eléctricos y dispositivos electrónicos portátiles.

Publicado en la revista Advanced Materials, esta investigación podría transformar la recuperación de materiales críticos para baterías. Los métodos de reciclaje tradicionales suelen ser intensivos en energía, generan aguas residuales y requieren químicos agresivos. En contraste, el proceso FJH-ClO logra altos rendimientos y pureza de litio, cobalto y grafito, al tiempo que reduce el consumo de energía, el uso de químicos y los costos.

"Diseñamos el proceso FJH-ClO para desafiar la noción de que el reciclaje de baterías debe depender de la lixiviación ácida", afirmó Tour, profesor de química y de ciencia de materiales y nanoingeniería. "FJH-ClO es una forma rápida y precisa de extraer materiales valiosos sin dañarlos ni perjudicar el medio ambiente".

Calentamiento rápido y controlado

El aumento en el uso de baterías de iones de litio en vehículos eléctricos y electrónica de consumo ha intensificado la necesidad de tecnologías de reciclaje sostenibles. Los métodos de reciclaje existentes son a menudo costosos e ineficientes, produciendo cantidades significativas de aguas residuales.

Para abordar estos desafíos, el equipo de investigación desarrolló un proceso en dos etapas que utiliza ráfagas breves de calor y aire en lugar de químicos agresivos. Primero, los materiales de la batería se calientan brevemente con gas cloro, lo que los descompone. Luego, se someten a un segundo calentamiento en aire, transformando la mayoría de los metales en formas que pueden separarse del litio. Dado que el litio no forma un óxido tan fácilmente como otros metales, permanece como cloruro, que puede extraerse fácilmente con agua.

Los métodos anteriores requerían procesos prolongados y ácidos fuertes. Sin embargo, el enfoque FJH-ClO utiliza un calentamiento rápido y controlado y reacciones simples para hacer que el proceso de separación sea más limpio y rápido.

Recuperación holística

Las pruebas han demostrado que el nuevo proceso puede recuperar casi todos los materiales valiosos de las baterías usadas, incluidos litio, cobalto y grafito, con alta pureza. Los análisis iniciales sugieren que incluso a pequeña escala, puede requerir aproximadamente la mitad de la energía, un 95% menos de químicos y costos significativamente más bajos en comparación con los métodos existentes.

Estos resultados establecen un enfoque escalable y libre de ácidos para la recuperación integral de materiales de baterías de iones de litio, ofreciendo ventajas tanto ambientales como económicas, al tiempo que establece un nuevo estándar para el reciclaje sostenible de baterías.

"Es gratificante ver un proceso que es científicamente sólido y prácticamente útil", comentó Shichen Xu, primer autor del estudio y postdoctorado en Rice. "Ese equilibrio es lo que hace posible un impacto en el mundo real".

Implicaciones futuras

Este proceso allana el camino para su implementación a gran escala e integración en la cadena de suministro de baterías. Proporciona una base para recuperar materiales valiosos mientras se reduce la necesidad de minería virgen.

Con el proceso FJH-ClO ya probado a escala de laboratorio, los investigadores planean escalar el proceso a través de su startup, Flash Metals U.S., una división de Metallium Ltd.

"Esto es más que un simple experimento de laboratorio", afirmó Tour. "Es un plano de cómo la industria puede satisfacer la demanda de materiales para baterías sin seguir presionando al planeta".

Los coautores de este estudio incluyen a Justin Sharp, Qiming Liu, Jaeho Shin, Haoxin Ye, Kaiwen Yang, Carter Kittrell, Haojie Zhu, Carolyn Teng, Bowen Li, Shihui Chen y Karla Silva del Departamento de Química de Rice; Ralph Abdel Nour de su Programa de Física Aplicada y el Instituto Smalley-Curl; y Khalil JeBailey, Boris Yakobson y Yufeng Zhao de su Departamento de Ciencia de Materiales y Nanoingeniería.

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