Un nuevo material autoensamblable podría ser la clave de las baterías reciclables para vehículos eléctricos
Investigadores del MIT diseñan un electrolito capaz de deshacerse al final de la vida útil de una batería, lo que facilita el reciclaje de sus componentes
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El auge actual de los vehículos eléctricos es la montaña de residuos electrónicos del mañana. Y aunque se están realizando innumerables esfuerzos para mejorar el reciclado de las baterías, muchas de ellas siguen acabando en los vertederos.
Un equipo de investigadores del MIT quiere ayudar a cambiar esta situación con un nuevo tipo de material autoensamblable para baterías que se deshace rápidamente cuando se sumerge en un simple líquido orgánico. En un nuevo artículo publicado en Nature Chemistry, los investigadores demuestran que el material puede funcionar como electrolito en una pila de estado sólido y volver a sus componentes moleculares originales en cuestión de minutos.
El método ofrece una alternativa a la fragmentación de la pila en una masa mezclada y difícil de reciclar. En cambio, como el electrolito sirve de capa de conexión de la batería, cuando el nuevo material vuelve a su forma molecular original, toda la batería se desmonta para acelerar el proceso de reciclado.
Hasta ahora, en el sector de las baterías nos hemos centrado en materiales y diseños de alto rendimiento, y sólo más tarde hemos intentado averiguar cómo reciclar baterías fabricadas con estructuras complejas y materiales difíciles de reciclar", explica el primer autor del artículo, Yukio Cho, PhD '23. "Nuestro planteamiento consiste en empezar con materiales fáciles de reciclar. "Nuestro planteamiento consiste en empezar con materiales fácilmente reciclables y averiguar cómo hacerlos compatibles con las pilas. Diseñar baterías reciclables desde el principio es un enfoque nuevo".
Junto a Cho colaboran en el trabajo el candidato a doctor Cole Fincher, Ty Christoff-Tempesta PhD '22, el catedrático de Cerámica de Kyocera Yet-Ming Chiang, la profesora asociada visitante Julia Ortony, Xiaobing Zuo y Guillaume Lamour.
Mejores pilas
Hay una escena en una de las películas de "Harry Potter" en la que el profesor Dumbledore limpia una casa en ruinas con un movimiento de muñeca y un hechizo. Cho dice que esa imagen se le quedó grabada de niño (¿qué mejor manera de limpiar tu habitación?) Cuando vio una charla de Ortony sobre la ingeniería de moléculas para que pudieran ensamblarse en estructuras complejas y luego volver a su forma original, se preguntó si podría utilizarse para que el reciclaje de pilas funcionara como magia.
Sería un cambio de paradigma para la industria de las pilas. En la actualidad, para reciclarlas se necesitan productos químicos agresivos, mucho calor y un proceso complejo. Una pila consta de tres partes principales: el cátodo con carga positiva, el electrodo con carga negativa y el electrolito que transporta los iones de litio entre ellas. Los electrolitos de la mayoría de las baterías de iones de litio son muy inflamables y se degradan con el tiempo en subproductos tóxicos que requieren una manipulación especializada.
Para simplificar el proceso de reciclaje, los investigadores decidieron fabricar un electrolito más sostenible. Para ello, recurrieron a una clase de moléculas que se autoensamblan en el agua, denominadas anfifilos de aramida (AA), cuyas estructuras químicas y estabilidad imitan a las del Kevlar. Los investigadores diseñaron además las AA para que contuvieran polietilenglicol (PEG), que puede conducir iones de litio, en un extremo de cada molécula. Cuando las moléculas se exponen al agua, forman espontáneamente nanoribbones con superficies de PEG conductoras de iones y bases que imitan la robustez del Kevlar mediante estrechos enlaces de hidrógeno. El resultado es una estructura de nanoribbono mecánicamente estable que conduce iones a través de su superficie.
"El material se compone de dos partes", explica Cho. "La primera es esta cadena flexible que nos proporciona un nido, o anfitrión, para que los iones de litio salten. La segunda parte es este fuerte componente de material orgánico que se utiliza en el Kevlar, que es un material a prueba de balas. Eso hace que toda la estructura sea estable".
Cuando se añaden al agua, los nanoribbones se autoensamblan para formar millones de nanoribbones que pueden prensarse en caliente y convertirse en un material sólido.
"A los cinco minutos de añadirla al agua, la solución se vuelve gelatinosa, lo que indica que hay tantas nanofibras formadas en el líquido que empiezan a enredarse unas con otras", explica Cho. "Lo emocionante es que podemos fabricar este material a escala gracias al comportamiento de autoensamblaje".
El equipo probó la resistencia y la dureza del material y descubrió que podía soportar las tensiones asociadas a la fabricación y el funcionamiento de la batería. También construyeron una pila de estado sólido con fosfato de hierro y litio como cátodo y óxido de titanio y litio como ánodo, materiales habituales en las baterías actuales. Los nanoribbones movían con éxito los iones de litio entre los electrodos, pero un efecto secundario conocido como polarización limitaba el movimiento de los iones de litio hacia el interior de los electrodos de la batería durante las fases rápidas de carga y descarga, lo que mermaba su rendimiento en comparación con las baterías comerciales de oro actuales.
"Los iones de litio se movían bien a lo largo de la nanofibra, pero conseguir que el ión de litio pasara de las nanofibras al óxido metálico parecía ser el punto más lento del proceso", explica Cho.
Cuando sumergieron la célula de la pila en disolventes orgánicos, el material se disolvió inmediatamente y cada parte de la pila se desprendió para facilitar su reciclado. Cho comparó la reacción de los materiales con la de un algodón de azúcar sumergido en agua.
"El electrolito mantiene unidos los dos electrodos de la pila y proporciona las vías de iones de litio", explica Cho. "Así, cuando se quiere reciclar la pila, toda la capa de electrolito puede desprenderse de forma natural y se pueden reciclar los electrodos por separado".
Validación de un nuevo enfoque
Cho dice que el material es una prueba de concepto que demuestra el enfoque de reciclar primero.
"No queremos decir que hayamos resuelto todos los problemas con este material", afirma Cho. "El rendimiento de nuestra batería no fue fantástico porque utilizamos sólo este material como electrolito completo para el papel, pero lo que estamos imaginando es utilizar este material como una capa en el electrolito de la batería. No tiene por qué ser todo el electrolito para iniciar el proceso de reciclaje".
Cho también ve mucho margen para optimizar el rendimiento del material con más experimentos.
Ahora, los investigadores están explorando formas de integrar este tipo de materiales en los diseños de baterías existentes, así como de implementar las ideas en nuevas químicas de baterías.
"Es muy difícil convencer a los fabricantes de que hagan algo muy distinto", explica Cho. "Pero con los nuevos materiales para baterías que pueden salir en cinco o diez años, podría ser más fácil integrar esto en los nuevos diseños al principio".
Cho también cree que el enfoque podría ayudar a reabastecer los suministros de litio reutilizando los materiales de las baterías que ya están en Estados Unidos.
"La gente está empezando a darse cuenta de lo importante que es esto", dice Cho. "Si podemos empezar a reciclar baterías de iones de litio a partir de residuos de baterías a escala, tendrá el mismo efecto que abrir minas de litio en EE.UU. Además, cada batería requiere una cierta cantidad de litio, por lo que extrapolando el crecimiento de los vehículos eléctricos, necesitamos reutilizar este material para evitar picos masivos en el precio del litio."
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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