Los investigadores de Penn han liderado un esfuerzo de colaboración para ser pioneros en técnicas más seguras y sostenibles para extraer materiales críticos para la tecnología alimentada por baterías. Los resultados allanaron el camino para obtener valor de materiales que de otro modo se considerarían residuos.
El bestseller de Siddharth Kara, “Cobalt Red: How the Blood of the Congo Powers Our Lives”, se centra en las cuestiones relacionadas con la fuente de cobalto, un componente vital de las baterías de iones de litio que alimentan muchas tecnologías fundamentales para la vida moderna, desde teléfonos móviles y marcapasos. Vehículos eléctricos.
“Muchos de nosotros probablemente hayamos leído acerca de la importancia de las baterías de iones de litio para la tecnología de almacenamiento de energía”, dijo Eric Schelter, profesor de química de la Universidad de Pensilvania. “Pero cómo los materiales que componen tales baterías pueden ser preocupantes y problemáticos desde el punto de vista ético y ambiental”.
Shelter dijo que la minería de cobalto en la República Democrática del Congo, que suministra alrededor del 70% del cobalto del mundo, genera preocupación por la degradación ambiental y las condiciones laborales inseguras, y que la minería a gran escala altera los ecosistemas, contamina los suministros de agua y causa daños ambientales duraderos. Además del daño, señaló que la escasez de cobalto amenaza con sobrecargar las cadenas de suministro globales a medida que la demanda de tecnología de baterías continúa creciendo.
Con ese fin, un área de investigación en su laboratorio se centra en la separación de metales críticos para las baterías, como el níquel y el cobalto. En un nuevo artículo publicado en la revista químicaEl equipo de Shelter y sus colaboradores de la Universidad Northwestern presentaron una “forma más sencilla, sostenible y económica de separar ambos materiales de materiales que de otro modo se considerarían residuos”.
“Nuestra química es atractiva porque es simple, funciona bien y separa eficientemente el níquel y el cobalto, uno de los problemas de separación más desafiantes en el campo”, dijo Shelter. “Este método ofrece dos beneficios clave: aumentar la capacidad de producir cobalto puro a partir de operaciones mineras con un daño ambiental potencialmente mínimo, abordar la dureza de los productos químicos de refinación tradicionales y crear valor para las baterías desechadas al proporcionar una forma eficiente de separar el níquel y el cobalto”.
Material correcto para la separación selectiva.
En general, dijeron los investigadores, el cobalto se produce a menudo como un subproducto de la minería del níquel mediante métodos hidrometalúrgicos como la lixiviación ácida y la extracción con solventes, que separan el cobalto y el níquel del mineral. Es un proceso que consume mucha energía y genera importantes residuos peligrosos.
El proceso que Shelter y su equipo desarrollaron para evitar esto se basa en una técnica de separación química que explota las diferencias en la densidad de carga y el enlace entre dos complejos moleculares: el complejo de hexamina de cobalto (III) y el complejo de hexamina de níquel (II).
“Gran parte de la química de separación trata de revelar la diferencia entre las cosas que se quieren separar”, dice Shelter, “y en este caso encontramos condiciones en las que el amoníaco, que es relativamente simple y barato, se une por separado a complejos de hexamina de níquel y cobalto. “
Al introducir una molécula o anión específico cargado negativamente, como el carbonato, en el sistema, crearon una estructura molecular sólida que sacó el complejo de cobalto de la solución mientras disolvía el níquel. Su trabajo demostró que los aniones carbonato interactúan selectivamente con los complejos de cobalto formando fuertes “enlaces de hidrógeno” que crean un precipitado estable. Después de la precipitación, el sólido rico en cobalto se separa por filtración, se lava con amoniaco y se seca. La solución restante contiene níquel, que luego se puede procesar por separado.
“Este proceso no sólo logra una alta pureza para ambos metales (más del 99,4% para el cobalto y el 99% para el níquel) sino que evita el uso de disolventes orgánicos y ácidos fuertes que normalmente se utilizan en los métodos de separación convencionales”, dijo el primer autor Boang ( Bobby Zhang, estudiante de posgrado en la Escuela de Artes y Ciencias de Penn y miembro del Instituto Vagelos en Ciencia y Tecnología de la Energía. “Es un método inherentemente simple y escalable que ofrece beneficios ambientales y económicos”.
Análisis tecnoeconómico y de ciclo de vida.
Para evaluar la aplicabilidad de su nuevo método en el mundo real, el equipo dirigido por Marta Gurrón realizó un análisis tecnoeconómico y una evaluación del ciclo de vida, que previamente reveló un costo de producción estimado de 1,05 dólares por gramo de cobalto puro, que es considerablemente menor. que los 2,73 dólares por gramo asociados con un proceso de separación informado.
“Nos centramos en reducir los costos químicos mientras utilizamos reactivos fácilmente disponibles, lo que hace que nuestro método sea potencialmente competitivo con las tecnologías existentes”, dijo Schelter.
El análisis del ciclo de vida mostró que la eliminación de químicos orgánicos volátiles y solventes peligrosos permitió que el proceso redujera significativamente los riesgos ambientales y para la salud, lo que fue respaldado por métricas como el potencial de formación de smog y la toxicidad humana por potencial de inhalación, donde el proceso obtuvo al menos un puntaje. orden. Los niveles son mejores que los métodos tradicionales.
“Esto significa menos emisiones de gases de efecto invernadero y menos desechos peligrosos, lo que es una gran victoria tanto para el medio ambiente como para la salud pública”, afirmó Zhang.
Despejar el camino por delante
Debido a la forma en que el equipo logró su separación, dijo Shelter, el trabajo tiene un aspecto científico básico apasionante que cree que podría conducir en muchas direcciones diferentes, incluso para otros problemas de separación de metales.
“Basándonos en el conjunto único de principios de reconocimiento molecular que identificamos a través de este trabajo, creo que podemos extender este trabajo en varias direcciones”, dice. “Podemos aplicar esto a otros problemas de separación de metales, lo que eventualmente impulsará una mayor innovación en la química sostenible y la recuperación de materiales”.
Eric Schelter es profesor de química Hirschman-McKinney en el Departamento de Química Escuela de Artes y Ciencias en la Universidad de Pensilvania.
Wang (Bobby) Zhang es becario graduado del Instituto Vagelos de Ciencia y Tecnología Energéticas. Grupo de refugio en Artes y Ciencias de Penn
Marta Gurón es profesora adjunta en el Departamento de Química y directora de proyectos en la Oficina de Protección Ambiental y Radiológica.
Otros autores incluyen a Andrew J. Ahn, Michael R. Vaya, y Alexander B. de Penn. Weber y Leighton O. Jones y George C. de la Universidad Northwestern. chatz
Esta investigación fue apoyada por el Instituto Vagelos de Ciencia y Tecnología Energética de Penn, el Programa Integrado Vagelos de Investigación Energética de Penn, el Centro de la Fundación Nacional de Ciencias (Premio CHE-1925708), el Centro de Materiales Avanzados para Sistemas de Agua Energética. (Subvención 8J-30009-0007A) y la Corporación de Investigación para el Avance de la Ciencia (premio) #CS-SEED-2024-022).