Mientras el mundo busca electrificar vehículos y almacenar energía renovable, se avecina un enorme desafío: ¿qué pasará con todas las viejas baterías de litio?
medida que el silencioso zumbido de los vehículos eléctricos reemplaza gradualmente las revoluciones y los humos nocivos de los motores de combustión interna, una serie de cambios se filtrarán en nuestro mundo familiar. El olor abrumador de las gasolineras se desvanecerá en estaciones de carga inodoras donde los coches podrán recargar sus baterías según sea necesario. Mientras tanto, los sitios de generadores a gas que salpican el horizonte pueden ser modernizados para albergar baterías masivas que algún día podrían alimentar ciudades enteras con energía renovable .
Este futuro electrificado está mucho más cerca de lo que piensas. General Motors anunció a principios de este año que planea dejar de vender vehículos a gasolina para 2035 . El objetivo de Audi es dejar de producirlos para 2033 , y muchas otras grandes empresas automotrices están haciendo lo mismo. De hecho, según BloombergNEF , dos tercios de las ventas de vehículos de pasajeros del mundo serán eléctricos para 2040. Y los sistemas a escala de red en todo el mundo están creciendo rápidamente gracias al avance de la tecnología de almacenamiento de baterías .
Si bien esto puede parecer el camino ideal hacia la energía sostenible y los viajes por carretera, existe un gran problema. Actualmente, las baterías de iones de litio (Li) son las que se utilizan normalmente en los vehículos eléctricos y las megabaterías que se utilizan para almacenar energía procedente de energías renovables, y las baterías de Li son difíciles de reciclar. Una razón es que los métodos más utilizados para reciclar baterías más tradicionales, como las baterías de plomo-ácido, no funcionan bien con las baterías de Li. Estos últimos suelen ser más grandes, más pesados, mucho más complejos e incluso peligrosos si se desarman incorrectamente .
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En una planta de reciclaje de baterías promedio, las piezas de la batería se trituran hasta convertirlas en polvo y luego ese polvo se funde (pirometalurgia) o se disuelve en ácido (hidrometalurgia). Pero las baterías de Li se componen de muchas piezas diferentes que podrían explotar si no se desmontan con cuidado. E incluso cuando las baterías de Li se descomponen de esta manera, los productos no son fáciles de reutilizar.
"El método actual de simplemente triturarlo todo y tratar de purificar una mezcla compleja da como resultado procesos costosos con productos de bajo valor", dice Andrew Abbott, químico físico de la Universidad de Leicester. Como resultado, cuesta más reciclarlos que extraer más litio para fabricar otros nuevos. Además, dado que las formas económicas y a gran escala de reciclar baterías de Li se están quedando atrás, solo alrededor del 5% de las baterías de Li se reciclan a nivel mundial, lo que significa que la mayoría simplemente se desperdicia.
Pero a medida que aumenta la demanda de vehículos eléctricos, como se prevé , el impulso para reciclar más vehículos se extenderá a través de la industria de baterías y vehículos de motor.
Sin embargo , si los millones y millones de baterías de Li que se agotarán después de unos 10 años de uso se reciclan de manera más eficiente, se ayudará a neutralizar todo ese gasto de energía. Varios laboratorios han estado trabajando para perfeccionar métodos de reciclaje más eficientes para que, eventualmente, una forma estandarizada y ecológica de reciclar baterías de Li esté lista para satisfacer la creciente demanda.
"Tenemos que encontrar formas de hacer que entre en lo que llamamos un ciclo de vida circular, porque el litio, el cobalto y el níquel requieren mucha electricidad y mucho esfuerzo para extraerlos, refinarlos y convertirlos en baterías. Ya no podemos traten las baterías como si fueran desechables", dice Shirley Meng, profesora de tecnologías energéticas en la Universidad de California en San Diego.
Cómo reciclar baterías de Li
Una celda de batería de Li tiene un cátodo metálico o electrodo positivo que recolecta electrones durante la reacción electroquímica, hecho de litio y una mezcla de elementos que generalmente incluyen cobalto, níquel, manganeso y hierro. También tiene un ánodo, o el electrodo que libera electrones al circuito externo, hecho de grafito, un separador y un electrolito de algún tipo, que es el medio que transporta los electrones entre cátodo y ánodo. Los iones de litio que viajan desde el ánodo al cátodo forman una corriente eléctrica. Los metales del cátodo son las partes más valiosas de la batería, y en ellas los químicos se centran en preservar y restaurar cuando desmantelan una batería de Li.
Meng dice que pensemos en una batería de Li como una estantería con muchas capas, y los iones de litio se mueven rápidamente a través de cada estante, regresando cada vez al estante superior, un proceso llamado intercalación . Después de años y años, la estantería naturalmente comienza a romperse y colapsar. Entonces, cuando químicos como Meng desmantelan una batería de Li, ese es el tipo de degradación que ven en la estructura y los materiales.
"De hecho, podemos encontrar los mecanismos, [y] ya sea usando calor o algún tipo de método de tratamiento químico, podemos volver a armar la estantería", dice Meng. "Así que podemos dejar que esos materiales reciclados y reacondicionados regresen a la línea de montaje de las fábricas [de baterías de Li] para convertirlos en baterías nuevas".
Mejorar el reciclaje de las baterías de Li y, en última instancia, hacer que sus piezas sean reutilizables reinfundirá valor a las baterías de Li que ya existen. Es por eso que los científicos abogan por el proceso de reciclaje directo que describe Meng, porque puede dar una segunda vida a las partes más preciadas de las baterías de Li, como el cátodo y el ánodo. Esto podría compensar significativamente la energía, los residuos y los costos asociados con su fabricación.
Pero el desmontaje de las baterías de Li actualmente se realiza predominantemente a mano en entornos de laboratorio, lo que deberá cambiar si el reciclaje directo quiere competir con los métodos de reciclaje más tradicionales. "En el futuro, será necesario disponer de más tecnología en el desmontaje", afirma Abbott. "Si una batería se monta con robots, es lógico que haya que desmontarla del mismo modo".
El equipo de Abbott en la Institución Faraday en el Reino Unido está investigando el desmontaje robótico de baterías de Li como parte del Proyecto ReLib, que se especializa en el reciclaje y reutilización de baterías de Li. El equipo también ha encontrado una manera de conseguir el reciclaje directo del ánodo y el cátodo mediante una sonda ultrasónica , "como la que utiliza el dentista para limpiarse los dientes", explica. "Enfoca los ultrasonidos en una superficie, lo que crea pequeñas burbujas que implosionan y hacen estallar el recubrimiento de la superficie". Este proceso evita tener que triturar las piezas de la batería, lo que puede dificultar enormemente su recuperación.
Según la investigación del equipo de Abbott, este método de reciclaje ultrasónico puede procesar 100 veces más material durante el mismo período que el método hidrometalúrgico más tradicional . Dice que también se puede hacer por menos de la mitad del coste de crear una batería nueva a partir de material virgen.
Abbott cree que el proceso se puede aplicar fácilmente a escala y utilizar en baterías más grandes basadas en red, porque normalmente tienen la misma estructura de celdas de batería, solo que contienen más celdas. Sin embargo, actualmente el equipo solo lo está aplicando a los desechos de producción, de los cuales las piezas son más fáciles de separar porque ya están libres de sus carcasas. Sin embargo, las pruebas de desmantelamiento robótico del equipo están aumentando. "Tenemos una unidad de demostración que actualmente funciona con electrodos completos y esperamos que en los próximos 18 meses podamos mostrar un proceso automatizado que funcione en una instalación de producción", dice Abbott.
Baterías degradables
Algunos científicos abogan por alejarse de las baterías de Li en favor de otras que puedan producirse y descomponerse de manera más ecológica. Jodie Lutkenhaus, profesora de ingeniería química en la Universidad Texas A&M, ha estado trabajando en una batería hecha de sustancias orgánicas que pueden degradarse cuando se les ordena.
"Hoy en día muchas baterías no se reciclan debido al coste energético y laboral asociado", afirma Lutkenhaus. "Las baterías que se degradan cuando se les ordena pueden simplificar o reducir la barrera al reciclaje. Con el tiempo, estos productos de degradación podrían reconstituirse nuevamente en una batería nueva, cerrando el ciclo de vida de los materiales".
Es un argumento justo teniendo en cuenta que, incluso cuando se desmantela una batería de Li y se reacondicionan sus piezas, todavía habrá algunas piezas que no se podrán salvar y se convertirán en residuos. Una batería degradable como en la que está trabajando el equipo de Lutkenhaus podría ser una fuente de energía más sostenible.
Las baterías de radicales orgánicos (ORB) existen desde la década de 2000 y funcionan con la ayuda de materiales orgánicos que se sintetizan para almacenar y liberar electrones. "Una batería de radicales orgánicos tiene dos de estos [materiales], ambos actúan como electrodos, que trabajan en conjunto para almacenar y liberar electrones, o energía, juntos", explica Lutkenhaus.
El equipo utiliza un ácido para descomponer sus ORB en aminoácidos y otros subproductos; sin embargo, las condiciones deben ser las adecuadas para que las piezas se degraden adecuadamente. "Al final descubrimos que el ácido a temperatura elevada funcionaba", dice Lutkenhaus.
Sin embargo, esta batería degradable aún enfrenta una serie de desafíos. Los materiales necesarios para crearlo son caros y aún tiene que proporcionar la cantidad de energía necesaria para aplicaciones de alta demanda como vehículos eléctricos y redes eléctricas. Pero quizás el mayor desafío para las baterías degradables como las de Lutkenhaus sea competir con las baterías de Li, que ya están bien establecidas.
El siguiente paso para los científicos que impulsan el reciclaje directo de baterías de Li es trabajar con los fabricantes de baterías y las plantas de reciclaje para agilizar el proceso desde la construcción hasta la avería.
"Realmente estamos alentando a todos los fabricantes de celdas de batería a que coloquen códigos de barras en todas las baterías para que con técnicas robóticas de inteligencia artificial podamos clasificarlas fácilmente", dice Meng. "Se necesita que todo el campo coopere entre sí para que eso suceda".
Las baterías de litio se utilizan para alimentar muchos dispositivos diferentes, desde computadoras portátiles hasta automóviles y redes eléctricas, y la composición química difiere según el propósito, a veces de manera significativa. Esto debería reflejarse en la forma en que se reciclan. Los científicos dicen que las plantas de reciclaje de baterías deben separar las distintas baterías de Li en flujos separados, similar a cómo se clasifican los diferentes tipos de plástico cuando se reciclan, para que el proceso sea más eficiente.
Y aunque se enfrentan a una batalla cuesta arriba, de forma lenta pero segura están apareciendo baterías más sostenibles. "Ya podemos ver diseños que ingresan al mercado que facilitan el montaje y desmontaje, y es probable que este sea un tema importante en el futuro desarrollo de baterías", afirma Abbott.
En el lado de la producción, los fabricantes de baterías y automóviles están trabajando para reducir los materiales necesarios para construir baterías de Li para ayudar a reducir el gasto de energía durante la minería y los desechos que genera cada batería al final de su vida.
Los fabricantes de automóviles eléctricos también han comenzado a reutilizar y reutilizar sus propias baterías de diferentes maneras. Por ejemplo, Nissan está restaurando baterías viejas de automóviles Leaf y colocándolas en vehículos guiados automatizados que llevan piezas a sus fábricas.
Badéns por delante
La creciente demanda de vehículos eléctricos en el mercado ya hace que empresas de la industria automotriz gasten miles de millones de dólares para aumentar la sostenibilidad de las baterías de Li. Sin embargo, China es actualmente con diferencia el mayor productor de baterías de Li y, por tanto, está a la cabeza en lo que respecta al reciclaje de ellas .
La adopción generalizada de métodos estandarizados para reciclar baterías de Li que incluyan flujos de clasificación para los diferentes tipos los acercará un gran paso. Mientras tanto, el uso de tecnología de inteligencia artificial para restaurar las piezas más útiles, como el cátodo, podría ayudar a los países con pequeños suministros de componentes de baterías de Li a no tener que depender tanto de China.
El desarrollo de nuevas baterías que puedan rivalizar con las baterías de Li probablemente también sacudirá la industria al crear una competencia sana. "Creo que sería mejor para el mundo si diversificamos la cartera de almacenamiento en baterías, en particular el almacenamiento en red", afirma Meng.
La llegada de una batería menos compleja, más segura, más barata de fabricar y más fácil de separar al final de su vida útil es la respuesta definitiva al actual problema de sostenibilidad de los vehículos eléctricos. Pero hasta que aparezca una batería de este tipo, la estandarización del reciclaje de baterías de Li es un paso importante en la dirección correcta.
Y aproximadamente en 2025, cuando millones de baterías de vehículos eléctricos lleguen al final de su ciclo de vida inicial, un proceso de reciclaje simplificado parecerá mucho más atractivo para las economías de todo el mundo. Entonces, tal vez, cuando los vehículos eléctricos se conviertan en el medio de transporte predominante, habrá muchas posibilidades de que sus baterías se estén preparando para una segunda vida.
-Fuente; BBC Planeta Futuro
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