Un nuevo reactor transforma residuos de baterías en litio reutilizable

Con el aumento de la adopción de vehículos eléctricos a nivel global, los paquetes de baterías al final de su vida útil se han convertido rápidamente en un importante flujo de desechos. La extracción de litio es costosa y los métodos de reciclaje actuales son intensivos en energía y químicos, produciendo a menudo carbonato de litio que debe ser procesado nuevamente en hidróxido de litio para su reutilización.

En lugar de fundir o disolver los materiales de baterías trituradas en ácidos fuertes, un equipo de ingenieros de Rice University desarrolló un enfoque más limpio al recargar los materiales catódicos desechados para extraer iones de litio en agua, donde se combinan con hidróxido para formar hidróxido de litio de alta pureza.

"Nos hicimos una pregunta básica: si cargar una batería extrae litio de un cátodo, ¿por qué no usar esa misma reacción para reciclar?", afirmó Sibani Lisa Biswal, presidenta del Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular de Rice. "Al combinar esa química con un reactor electroquímico compacto, podemos separar el litio de manera limpia y producir la sal exacta que los fabricantes desean".

En una batería en funcionamiento, la carga extrae iones de litio del cátodo. El sistema de Rice aplica ese mismo principio a los materiales catódicos desechados, como el fosfato de hierro y litio. A medida que comienza la reacción, los iones de litio migran a través de una membrana de intercambio catiónico delgada hacia un flujo de agua. En el electrodo contrario, otra reacción simple divide el agua para generar hidróxido. El litio y el hidróxido se combinan en el flujo de agua para formar hidróxido de litio sin necesidad de ácidos agresivos o químicos adicionales.

La investigación, publicada recientemente en Joule, demuestra un reactor de membrana-electrodo de cero huecos que utiliza solo electricidad, agua y residuos de baterías.

En algunos modos, el proceso requirió tan solo 103 kilojulios de energía por kilogramo de material negro, aproximadamente un orden de magnitud menor que las rutas comunes de lixiviación ácida (sin contar sus pasos de procesamiento adicionales). El equipo escaló el dispositivo a 20 centímetros cuadrados, realizó una prueba de estabilidad de 1,000 horas y procesó 57 gramos de material negro industrial.

"Producir directamente hidróxido de litio de alta pureza acorta el camino de regreso a nuevas baterías", afirmó Haotian Wang, profesor asociado de ingeniería química y biomolecular y coautor correspondiente del estudio junto a Biswal. "Eso significa menos pasos de procesamiento, menos desechos y una cadena de suministro más resiliente".

El proceso produjo hidróxido de litio que fue más del 99% puro, lo suficientemente limpio como para ser utilizado directamente en la fabricación de baterías. También demostró ser altamente eficiente en energía, consumiendo tan solo 103 kilojulios de energía por kilogramo de desecho en un modo y 536 kilojulios en otro. El sistema mostró tanto durabilidad como escalabilidad, manteniendo una tasa de recuperación de litio promedio de casi el 90% durante 1,000 horas de operación continua.

El enfoque también funcionó a través de múltiples químicas de baterías, incluyendo fosfato de hierro y litio, óxido de manganeso de litio y variantes de níquel-manganeso-cobalto. Aún más prometedor, los investigadores demostraron el procesamiento roll-to-roll de electrodos enteros de fosfato de hierro y litio directamente desde papel de aluminio, sin necesidad de raspado o pretratamiento.

"La demostración roll-to-roll muestra cómo esto podría integrarse en líneas de desensamblaje automatizadas", dijo Wang. "Se alimenta el electrodo, se alimenta el reactor con electricidad de bajo carbono y se extrae hidróxido de litio de grado de batería".

Los investigadores planean escalar la tecnología aún más desarrollando pilas de área más grande, aumentando la carga de material negro y diseñando membranas más selectivas y hidrofóbicas para mantener alta eficiencia a mayores concentraciones de hidróxido de litio. También ven el posprocesamiento—concentrar y cristalizar hidróxido de litio—como la próxima gran oportunidad para reducir el uso total de energía y las emisiones.

"Hemos hecho que la extracción de litio sea más limpia y simple", dijo Biswal. "Ahora vemos claramente el próximo cuello de botella. Abordar la concentración desbloquea una sostenibilidad aún mejor".

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