Un nuevo reactor de recarga y reciclaje convierte los residuos de pilas en nueva materia prima de litio
"Producir directamente hidróxido de litio de gran pureza acorta el camino de vuelta a las pilas nuevas"
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A medida que se acelera la adopción de vehículos eléctricos en todo el mundo, las baterías al final de su vida útil se están convirtiendo rápidamente en un importante flujo de residuos. La extracción y el refinado del litio son costosos, y la mayoría de los métodos de reciclado actuales consumen mucha energía y productos químicos, por lo que suelen producir carbonato de litio que debe transformarse en hidróxido de litio para su reutilización.
De izquierda a derecha, Sibani Lisa Biswal, Yuge Feng y Haotian Wang.
Jorge Vidal/Rice University
En lugar de fundir o disolver los materiales triturados de las baterías ("masa negra") en ácidos fuertes, un equipo de ingenieros de la Universidad Rice ha desarrollado un método más limpio recargando los materiales de desecho de los cátodos para extraer iones de litio al agua, donde se combinan con hidróxido para formar hidróxido de litio de gran pureza.
"Nos hicimos una pregunta básica: Si al cargar una batería se extrae litio del cátodo, ¿por qué no utilizar la misma reacción para reciclar?", explica Sibani Lisa Biswal, catedrática del Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular de Rice y profesora William M. McCardell de Ingeniería Química. "Emparejando esa química con un reactor electroquímico compacto, podemos separar el litio limpiamente y producir la sal exacta que quieren los fabricantes".
En una batería en funcionamiento, la carga extrae iones de litio del cátodo. El sistema de Rice aplica ese mismo principio a materiales de cátodo residuales como el fosfato de hierro y litio. Al iniciarse la reacción, los iones de litio migran a través de una fina membrana de intercambio catiónico hacia una corriente de agua. En el contraelectrodo, otra reacción sencilla divide el agua para generar hidróxido. A continuación, el litio y el hidróxido se combinan en la corriente de agua para formar hidróxido de litio sin necesidad de ácidos agresivos ni productos químicos adicionales.
La investigación, publicada recientemente en Joule, demuestra un reactor de membrana-electrodo de hueco cero que sólo utiliza electricidad, agua y residuos de pilas. En algunos modos, el proceso requirió tan sólo 103 kilojulios de energía por kilogramo de masa negra, aproximadamente un orden de magnitud menos que las rutas habituales de lixiviación ácida (sin contar sus pasos de procesamiento adicionales). El equipo amplió el dispositivo a 20 centímetros cuadrados, realizó una prueba de estabilidad de 1.000 horas y procesó 57 gramos de masa negra industrial suministrada por su socio industrial TotalEnergies.
"Producir directamente hidróxido de litio de gran pureza acorta el camino de vuelta a las baterías nuevas", afirma Haotian Wang, profesor asociado de ingeniería química y biomolecular y coautor del estudio junto con Biswal. "Eso significa menos pasos de procesamiento, menos residuos y una cadena de suministro más resistente".
El proceso produjo hidróxido de litio con una pureza superior al 99%, lo suficientemente limpio como para volver directamente a la fabricación de baterías. También demostró una gran eficiencia energética, con un consumo de 103 kilojulios de energía por kilogramo de residuos en un modo y de 536 kilojulios en otro. El sistema demostró durabilidad y escalabilidad, manteniendo una tasa media de recuperación de litio de casi el 90% a lo largo de 1.000 horas de funcionamiento continuo.
El método también funcionó con distintos tipos de baterías, como las de litio-hierro-fosfato, litio-óxido de manganeso y níquel-manganeso-cobalto. Y lo que es aún más prometedor, los investigadores demostraron el procesamiento rollo a rollo de electrodos completos de fosfato de hierro y litio directamente a partir de papel de aluminio, sin necesidad de raspado ni tratamiento previo.
"La demostración de rollo a rollo muestra cómo podría integrarse en líneas de desmontaje automatizadas", explica Wang. "Se introduce el electrodo, se alimenta el reactor con electricidad baja en carbono y se extrae hidróxido de litio apto para baterías".
A continuación, los investigadores planean ampliar la tecnología desarrollando pilas de mayor superficie, aumentando la carga de masa negra y diseñando membranas más selectivas e hidrófobas para mantener una alta eficiencia a mayores concentraciones de hidróxido de litio. También consideran que el postratamiento -la concentración y cristalización del hidróxido de litio- es la próxima gran oportunidad para reducir el consumo total de energía y las emisiones.
"Hemos conseguido que la extracción de litio sea más limpia y sencilla", afirma Biswal. "Ahora vemos claramente el siguiente cuello de botella. Si abordamos la concentración, conseguiremos una sostenibilidad aún mayor".
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.
Publicación original
Yuge Feng, Yoon Park, Shaoyun Hao, Chang Qiu, Shoukun Zhang, Zhou Yu, Zhiwei Fang, Tanguy Terlier, Chase Sellers, Khalid Mateen, Frank Despinois, Moussa Kane, Sibani Lisa Biswal, Haotian Wang; "A direct electrochemical Li recovery from spent Li-ion battery cathode for high-purity lithium hydroxide feedstock"; Joule
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