Los investigadores de la Universidad de Rice tienen literalmente una solución para lidiar con el exceso de baterías de iones de litio usadas que deja la creciente demanda de vehículos eléctricos. teléfonos móviles y otros dispositivos electrónicos.

El laboratorio de Rice del científico de materiales Pulickel Ajayan utilizó un solvente eutéctico profundo ecológico para extraer elementos valiosos de los óxidos metálicos comúnmente usados ​​como cátodos en baterías de iones de litio. La meta, los investigadores dijeron, es reducir el uso de procesos duros para reciclar baterías y mantenerlas fuera de los vertederos.

El solvente hecho de productos básicos cloruro de colina y etilenglicol, extrajo más del 90 por ciento de cobalto de compuestos en polvo, y una cantidad más pequeña pero significativa de baterías usadas.

"Residuos de pilas recargables, particularmente de baterías de iones de litio, se convertirá en un desafío ambiental cada vez más amenazador en el futuro a medida que la demanda de estos a través de su uso en vehículos eléctricos y otros dispositivos aumente drásticamente, "Dijo Ajayan.

"Es importante recuperar metales estratégicos como el cobalto que tienen un suministro limitado y son fundamentales para el rendimiento de estos dispositivos de almacenamiento de energía, ", dijo." Algo que debemos aprender de nuestra situación actual con los plásticos es que es el momento adecuado para tener una estrategia integral para reciclar el creciente volumen de residuos de baterías ".

Los resultados aparecen en Energía de la naturaleza .

"Esto se ha intentado antes con ácidos, ", dijo el estudiante graduado de Rice y autor principal, Kimmai Tran." Son efectivos, pero son corrosivos y no ecológicos. Como un todo, reciclar baterías de iones de litio suele ser caro y un riesgo para los trabajadores ".

Otros procesos también tienen inconvenientes, ella dijo. La pirometalurgia implica triturar y mezclar a temperaturas extremas, y los vapores nocivos requieren un lavado. La hidrometalurgia requiere productos químicos cáusticos, mientras que otros disolventes "verdes" que extraen iones metálicos a menudo requieren agentes adicionales o procesos de alta temperatura para capturarlos por completo.

"Lo bueno de este solvente eutéctico profundo es que puede disolver una amplia variedad de óxidos metálicos, ", Dijo Tran." Está hecho literalmente de un aditivo alimentario para pollos y un precursor plástico común que, cuando se mezclan a temperatura ambiente, formar un claro, solución relativamente no tóxica que tiene propiedades solvantes eficaces ".

Un solvente eutéctico profundo es una mezcla de dos o más compuestos que se congela a temperaturas mucho más bajas que cada uno de sus precursores. De ese modo, ella dijo, se puede obtener literalmente un líquido a partir de una simple combinación de sólidos.

"La gran depresión de los puntos de congelación y fusión se debe a los enlaces de hidrógeno que se forman entre los diferentes productos químicos, "Tran dijo." Al seleccionar los precursores adecuados, Se pueden fabricar disolventes 'verdes' económicos con propiedades interesantes ".

Cuando Tran se unió, el grupo Rice ya estaba probando una solución eutéctica como electrolito en supercondensadores de alta temperatura de próxima generación.

"Intentamos usarlo en supercondensadores de óxido metálico, y los estaba disolviendo, ", dijo el científico investigador de Rice y coautor correspondiente, Babu Ganguli." El color de la solución cambiaría ".

El eutéctico extraía iones del níquel del supercondensador.

"Nuestro equipo estaba discutiendo esto y pronto nos dimos cuenta de que podíamos usar lo que se pensaba que era una desventaja para el electrolito como una ventaja para disolver y reciclar las baterías de litio gastadas". "Dijo Ganguli.

Eso se convirtió en el enfoque de Tran, mientras probaba solventes eutécticos profundos en óxidos metálicos a diferentes temperaturas y escalas de tiempo. Durante las pruebas con polvo de óxido de cobalto y litio, el disolvente transparente produjo un amplio espectro de colores azul verdoso que indicaban la presencia de cobalto disuelto en su interior.

A 180 grados Celsius (356 grados Fahrenheit), el solvente extrajo casi el 90 por ciento de los iones de litio, y hasta el 99 por ciento de los iones de cobalto del polvo cuando se cumplen ciertas condiciones.

Los investigadores construyeron pequeños prototipos de baterías y los ciclaron 300 veces antes de exponer los electrodos a las mismas condiciones. El solvente demostró ser experto en disolver el cobalto y el litio mientras separaba los óxidos metálicos de los otros compuestos presentes en el electrodo.

Descubrieron que el cobalto se podía recuperar de la solución eutéctica mediante precipitación o incluso galvanoplastia en una malla de acero. ya que este último método permitió potencialmente la reutilización del propio disolvente eutéctico profundo.

"Nos centramos en el cobalto, "dijo Marco Rodrigues, ex alumno de Rice, ahora investigador postdoctoral en el Laboratorio Nacional de Argonne. "Desde el punto de vista de los recursos, es la parte más crítica. La batería de su teléfono seguramente tendrá mucha. El litio también es muy valioso, pero el cobalto en particular no solo es escaso ambientalmente sino también, desde un punto de vista social, difícil de conseguir."

Señaló que el Departamento de Energía está realizando nuevos esfuerzos para avanzar en las tecnologías de reciclaje de baterías y recientemente anunció un centro para el reciclaje de baterías de iones de litio.

El camino a seguir requerirá esfuerzos continuos.

"Es probable que no podamos reciclar y reemplazar la minería por completo, ", Dijo Tran." Estas tecnologías son relativamente nuevas, y hay mucha optimización por hacer, como explorar otros solventes eutécticos profundos, pero realmente creemos en el potencial de formas más ecológicas de hacer química sucia. La sostenibilidad está en el corazón del trabajo que hago y lo que quiero hacer durante el resto de mi carrera ".