La fabricación y el reciclaje de baterías podrían ser más respetuosos con el medio ambiente gracias a este «pegamento»
Se acabó el flúor y los disolventes tóxicos
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Un nuevo aglutinante para baterías —el adhesivo que mantiene unidas las partes internas de una batería— podría hacer que las baterías de iones de litio fueran más respetuosas con el medio ambiente y más fáciles de reciclar sin sacrificar su rendimiento. Al crear un aglutinante sin flúor y soluble en agua, los ingenieros de la Universidad de California en San Diego han demostrado que pueden simplificar tanto la fabricación como el reciclaje de las baterías, reduciendo los ingredientes tóxicos, el consumo de energía y los residuos. Las baterías fabricadas con el nuevo aglutinante funcionaron igual de bien que las baterías de iones de litio convencionales.
Este nuevo aglutinante para baterías podría reducir los componentes tóxicos, el consumo de energía y los residuos que se generan al fabricar y reciclar baterías de iones de litio.
David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering
Este avance, publicado el 9 de octubre en *Nature Communications*, fue fruto de la colaboración entre el laboratorio de Zheng Chen, profesor del Departamento de Ingeniería Química y Nanoingeniería de la Familia Aiiso Yufeng Li de la Escuela de Ingeniería Jacobs de la UC San Diego, y John Muldoon, del Instituto de Investigación de Toyota de Norteamérica.
El aglutinante es el material similar al pegamento que se mezcla con los polvos de los electrodos para formar capas sólidas, que luego se adhieren a finas láminas metálicas en el interior de la batería. Estas capas se apilan y se enrollan para crear una batería. Aunque el aglutinante representa solo una pequeña fracción del peso de una batería, tiene un gran impacto en cómo se fabrica y se recicla esta.
Las baterías de iones de litio suelen utilizar un aglutinante que contiene flúor, ya que produce electrodos uniformes y muy adhesivos que se mantienen estables a lo largo de numerosos ciclos de carga y descarga. Esto permite que las baterías funcionen mejor y duren más tiempo.
«Pero esa misma estabilidad también hace que las baterías sean mucho más difíciles de reciclar», afirma Chen, cuyo Laboratorio de Materiales y Energía Sostenibles de la Universidad de California en San Diego se especializa en el desarrollo de métodos eficientes y respetuosos con el medio ambiente para recuperar y restaurar materiales de las baterías de iones de litio agotadas.
El problema del flúor en los aglutinantes
Un aglutinante que contiene flúor debe disolverse en un disolvente tóxico antes de poder mezclarse con los polvos de los electrodos. Una vez recubiertos los electrodos, se utilizan grandes hornos de secado para evaporar el disolvente. A continuación, se necesitan pasos adicionales para recuperar y purificar el disolvente, de modo que pueda reutilizarse. «Esos pasos adicionales aumentan significativamente el coste y el consumo de energía —así como el impacto medioambiental— de la fabricación de baterías», afirmó el primer autor del estudio, Jiao Lin, investigador posdoctoral en el laboratorio de Chen.
Los aglutinantes que contienen flúor también complican el proceso de reciclaje de las baterías. Estos aglutinantes dejan residuos difíciles de eliminar que requieren altas temperaturas o productos químicos corrosivos para su eliminación. Esto, a su vez, genera residuos peligrosos, así como subproductos que contienen flúor y que contaminan los materiales recuperados de las baterías, lo que dificulta su reutilización en nuevas baterías.
Se acabó el flúor y los disolventes tóxicos
Para resolver ambos problemas, el equipo de Chen creó un aglutinante que no contiene flúor y que puede procesarse utilizando un disolvente no tóxico: el agua. Aunque ya existen otros aglutinantes solubles en agua, carecen de la resistencia y la durabilidad necesarias para las baterías de alto rendimiento, explicó Chen.
El nuevo aglutinante está fabricado a partir de dos polímeros económicos y de uso generalizado. El ácido poliacrílico ayuda a que la mezcla se distribuya de manera uniforme durante la fabricación y aporta flexibilidad. Por su parte, la carboximetilcelulosa, un material de origen vegetal que se utiliza habitualmente en alimentos y productos de papel, aporta resistencia y adherencia.
En primer lugar, los polímeros se disolvieron en agua. A continuación, los investigadores añadieron ácido cítrico —el ácido natural presente en los cítricos— para unir químicamente los polímeros entre sí. El resultado es una red estrechamente entrelazada, unida por diversos tipos de enlaces químicos que se refuerzan mutuamente. Esto confiere a este aglutinante la resistencia, flexibilidad, estabilidad y adhesión necesarias para rivalizar con los aglutinantes convencionales que contienen flúor.
Fabricación y reciclaje de baterías con el nuevo aglutinante
Las baterías fabricadas con el nuevo aglutinante sin flúor ofrecieron el mismo rendimiento inicial que las baterías de iones de litio convencionales. Incluso mantuvieron su capacidad durante más tiempo tras cientos o miles de ciclos de carga. El aglutinante también era compatible con diferentes tipos de electrodos, incluidos los cátodos de fosfato de hierro y litio (LFP), los cátodos ricos en níquel, los ánodos de grafito y los ánodos de silicio.
El nuevo aglutinante también podría simplificar el reciclaje de las baterías. En lugar de utilizar productos químicos agresivos y altas temperaturas para eliminarlo, como se hace con los aglutinantes que contienen flúor, los investigadores simplemente desmontaron la batería y sumergieron los electrodos en agua. Esto disolvió el aglutinante y permitió que los recubrimientos de los electrodos se separaran limpiamente de las láminas metálicas sin dejar residuos. A continuación, los materiales de los electrodos recuperados se regeneraron mediante procesos de reciclaje directo y se utilizaron para fabricar nuevas baterías.
Estas baterías recicladas funcionaron tan bien como las fabricadas con materiales de electrodos recuperados de baterías fabricadas con aglutinantes convencionales que contienen flúor.
Los próximos pasos incluyen ampliar la producción del aglutinante para su fabricación comercial. Los investigadores están trabajando ahora en la optimización del aglutinante para diferentes composiciones químicas de las baterías con el fin de mejorar su rendimiento. Chen y su equipo tienen previsto comercializar el aglutinante mediante la colaboración con socios industriales.
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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