Nuevos avances en el reciclaje de baterías de iones de litio

Nuevos avances en el reciclaje de baterías de iones de litio

La demanda global de baterías de iones de litio está creciendo exponencialmente y se acercan puntos de inflexión críticos, ya que la demanda podría llegar a superar las reservas existentes de algunos componentes esenciales y materias primas de las baterías.

Se espera que el mercado global del coche eléctrico, alimentado por baterías de iones de litio, alcance los 858 000 millones de dólares en 2027. Sin embargo, se cree que solo se recicla el 5 % de las baterías de iones de litio en todo el mundo. Tradicionalmente, el reciclaje de baterías de iones de litio se ha visto limitado por la volatilidad del precio de las materias primas, la falta de plantas de reciclaje y la carencia de normativas, pero los avances en los métodos de reciclaje, el elevado potencial de crecimiento y la disponibilidad de una cantidad finita de metales raros han convertido el reciclaje en una opción más atractiva en un mercado que, según las proyecciones, podría llegar a 13 000 millones de dólares en 2030.

Tecnologías de reciclaje actuales

Hoy en día, existen tres tipos principales de metodologías de reciclaje de baterías (figura 1), entre las que alternativa principal es una combinación de hidrometalurgia y pirometalurgia. La investigación y las publicaciones de patentes sobre hidrometalurgia y pirometalurgia han crecido exponencialmente por sus ventajas en términos de coste y complejidad (figura 2). La hidrometalurgia usa soluciones (principalmente acuosas) para extraer y separar los metales de los recursos de las baterías. La pirometalurgia usa el calor para convertir los óxidos metálicos empleados en los materiales de las baterías en metales o compuestos metálicos. El reciclaje directo es la eliminación del material del cátodo para su reutilización o reacondicionamiento.

Por qué es preferible el reciclaje directo

La extracción directa del material del cátodo para su reutilización o reacondicionamiento es la solución ideal porque permite a los recicladores mantener intactas las estructuras de cristal con una cantidad menor de energía y reactivos y con unos costes fijos para las instalaciones. Sin embargo, los costes de mano de obra son más altos y el umbral para lograr unas buenas condiciones de reciclado de las baterías es más elevado. Hasta hace poco, los problemas que más lastraban el campo del reciclaje de las baterías de iones de litio eran la falta de uniformidad en sus diseños y el gran esfuerzo requerido en las técnicas de hidrometalurgia y pirometalurgia para convertir las baterías en materias primas metálicas. Un artículo reciente daba a conocer un método que proporciona materiales catódicos funcionales que los métodos de reciclaje actuales no suministran.

Una nueva estrategia para el reciclaje directo:

Hace poco, Zheng Liang, Guangmin Zhou, Hui-Ming Cheng y varios colegas más dieron a conocer una técnica de este tipo en el Journal of the American Chemical Society. Se mezclaron yoduro de litio (LiI) e hidróxido de litio (LiOH) en una combinación eutéctica que se funde a una temperatura más baja que cada sal por separado, por debajo de 200 °C. Como resultado, la combinación pasa al estado líquido a temperaturas más accesibles.

Aunque la capacidad de las baterías fabricadas con el material reparado no se restauró por completo, se consiguió hacerlo con un proceso posterior de calentamiento de la mezcla eutéctica a 200 °C durante 3 horas y un nuevo calentamiento a 850 °C durante 2 horas. Sin embargo, al añadir a la mezcla eutéctica Co₂O₃ y MnO₂, el proceso de dos pasos resultante produjo NMC523 restaurado, cuyas características y cuya estructura cristalina son comparables a las de los materiales nuevos.

Esta estrategia ofrece una forma de recuperar la funcionalidad plena de los cátodos de las baterías de iones de litio utilizando menos energía y recursos que la producción inicial. Si se restaura por completo la funcionalidad de los materiales agotados con un coste menor, se pueden vender con un margen mucho mayor que los metales u óxidos metálicos producidos con técnicas más costosas.

Desafíos

No obstante, el método desarrollado por Liang et al. no está exento de problemas. El procedimiento requiere el desensamblaje y posterior reensamblaje de las baterías. La complejidad y la falta de uniformidad de los diseños de las baterías y las composiciones de los cátodos obstaculizan, en general, el reciclaje de las baterías. Aunque la pirometalurgia se puede usar para procesar muchos tipos diferentes de baterías, el reciclaje directo y los procedimientos hidrometalúrgicos requieren clasificar los distintos tipos de baterías y desensamblarlos de manera segura. La composición y el diseño de las baterías se deben especificar y codificar en las propias baterías para que el reciclaje directo sea viable. El desensamblaje sería más sencillo con diseños de baterías unificados, pero, dado el amplio abanico de aplicaciones de las baterías de iones de litio, eso no siempre es posible.

Una mirada al futuro

Se acerca un punto de inflexión crítico para las baterías de iones de litio, ya que la demanda podría superar el suministro de materiales esenciales. El reciclaje debe desempeñar un papel clave en la resolución de este problema. El ahorro de recursos, el impacto medioambiental y la rentabilidad serán los factores que más contribuyan a acelerar la innovación del futuro.

Aunque este estudio reciente no ofrece un método comercial para la regeneración y el reciclaje directo de las baterías de iones de litio, demuestra que esta práctica es técnicamente viable. Esta metodología difiere de otros métodos anteriores de reciclaje directo, ya que usa sistemas eutécticos en lugar de técnicas hidrotermales. Una técnica de reciclaje directo comercialmente viable aumentará la seguridad del suministro de los componentes de las baterías de iones de litio, contribuirá a su sostenibilidad como alternativa a los combustibles líquidos para el almacenamiento de energía y será un instrumento crucial para reducir las emisiones de CO₂ de origen humano y mitigar el cambio climático. Puede obtener más información sobre las nuevas tendencias en el reciclaje de baterías de iones de litio en este informe reciente.