Los investigadores han descubierto un método rápido, eficiente y respetuoso con el medio ambiente para la recuperación selectiva de litio mediante irradiación con microondas y un disolvente fácilmente biodegradable.
Un proceso basado en microondas cuenta con una tasa de recuperación del 50% en 30 segundos.
El “oro blanco” de la energía limpia, el litio, es un ingrediente clave en baterías grandes y pequeñas, desde teléfonos y computadoras portátiles hasta sistemas de almacenamiento de energía a escala de red.
Aunque es relativamente abundante, el metal blanco plateado pronto puede escasear debido a un complejo panorama de abastecimiento influenciado por el auge de los vehículos eléctricos (EV), los objetivos de cero emisiones netas y factores geopolíticos. Valorado en 65 mil millones de dólares en 2023, se espera que el mercado mundial de baterías de iones de litio (LIB) crezca un 23 % en los próximos ocho años, lo que probablemente exacerbará los desafíos existentes en el suministro de litio.
Es más, recuperar litio de baterías gastadas es ambientalmente gravoso y altamente ineficiente, algo que un equipo de investigadores de la Universidad Rice dirigido por Pulikal Ajayin está trabajando para cambiar.
publicado en su último estudio Materiales funcionales avanzados, los investigadores describieron un método rápido, eficiente y respetuoso con el medio ambiente para la recuperación selectiva de litio mediante irradiación con microondas y un disolvente fácilmente biodegradable. Los hallazgos muestran que el nuevo proceso puede recuperar el 50% del litio de un cátodo LIB gastado en menos de 30 segundos, superando un obstáculo importante en la tecnología de reciclaje de LIB.
“Hemos visto un enorme aumento en el uso de LIB en los últimos años, lo que inevitablemente genera preocupaciones sobre la disponibilidad de metales importantes como el litio, el cobalto y el níquel utilizados en los cátodos”, dijo Sohini Bhattacharya, uno de los dos autores principales. Investigación en el Laboratorio de Nanomateriales dirigida por Ajayan y un becario postdoctoral de la Rice Academy. “Por eso es muy importante reciclar los LIB gastados para recuperar estos metales”.
Los métodos de reciclaje convencionales a menudo implican ácidos fuertes, mientras que los disolventes alternativos respetuosos con el medio ambiente, como los disolventes eutécticos profundos (DES), luchan con la eficiencia y la viabilidad económica. Además, los métodos de reciclaje actuales recuperan menos del 5% del litio, en gran parte debido a la contaminación y los daños durante el proceso, así como a la naturaleza intensiva de energía de la recuperación.
“La tasa de recuperación es muy baja porque el litio generalmente termina después de todos los demás metales, por lo que nuestro objetivo era cómo podemos enfocarnos específicamente en el litio”, dijo Salma Alhashim, alumna doctoral de Rice y la otra autora principal del estudio. “Aquí utilizamos un DES que es una mezcla de cloruro de colina y etilenglicol, sabiendo por nuestro trabajo anterior que durante la lixiviación en este DES, el litio está rodeado por iones de cloruro de cloruro de colina y se lixivia en la solución”.
Para lixiviar otros metales como el cobalto o el níquel, en el proceso deben intervenir tanto el cloruro de colina como el etilenglicol. Sabiendo que sólo el cloruro de colina es un buen absorbente de microondas de ambas sustancias, los investigadores sumergieron el material de desecho de la batería en un disolvente y lo bombardearon con radiación de microondas.
“Esto nos permite lixiviar selectivamente litio sobre otros metales”, dijo Bhattacharya. “El uso de radiación de microondas para este proceso es similar a cómo un microondas de cocina calienta rápidamente los alimentos. La energía se transfiere directamente a las moléculas, lo que hace que la reacción se produzca mucho más rápido que los métodos de calentamiento convencionales”.
En comparación con los métodos de calentamiento convencionales, como los baños de aceite, el calentamiento asistido por microondas puede lograr eficiencias similares aproximadamente 100 veces más rápido. Por ejemplo, utilizando el proceso basado en microondas, el equipo descubrió que se necesitaban 15 minutos para extraer el 87% del litio, frente a las 12 horas necesarias para obtener la misma tasa de recuperación calentando un baño de aceite.
“También muestra que la selectividad hacia componentes específicos se puede lograr simplemente ajustando la composición del DES”, dijo Alhashim. “Otra ventaja es la estabilidad del disolvente: dado que el proceso del baño de aceite lleva mucho tiempo, el disolvente comienza a descomponerse, mientras que esto no ocurre con el corto ciclo de calentamiento de un microondas”.
Este enfoque innovador puede mejorar drásticamente la economía y el impacto ambiental del reciclaje de LIB, proporcionando una solución sostenible a un problema global creciente.
“Este método no sólo aumenta la tasa de recuperación sino que también reduce el impacto ambiental, lo que lo convierte en un paso prometedor hacia el establecimiento de un sistema de reciclaje basado en DES para la recuperación selectiva de metales”, dijo Ajayan, autor correspondiente del estudio y Benjamin M. de Rice. y Mary Greenwood Anderson, profesora de ingeniería y profesora de ciencia de materiales y nanoingeniería y presidenta del departamento.