Un nuevo método de reciclaje convierte baterías viejas de vehículos eléctricos en acumuladores más eficientes

Ingenieros de la Universidad de California en San Diego desarrollaron un método para reciclar baterías usadas de vehículos eléctricos y convertir sus cátodos de fosfato de hierro y litio en un material de mayor rendimiento, una vía que apunta a resolver el creciente volumen de desechos de baterías y, al mismo tiempo, producir acumuladores con más capacidad de almacenamiento, informó el portal especializado TechXplore. El proceso transforma el material existente en fosfato de litio, manganeso y hierro, o LMFP, que almacena más energía que el LFP original.

El trabajo fue publicado en la revista Joule y se presenta como una alternativa a los métodos convencionales de reciclaje, que suelen recurrir a altas temperaturas o a químicos agresivos para recuperar ingredientes de las baterías. El nuevo sistema también fue probado con baterías LFP usadas de distintos fabricantes y pudo escalarse a cantidades de kilogramos.

Las baterías LFP se usan de forma extendida en vehículos eléctricos y en sistemas de almacenamiento de energía a escala de red —las grandes instalaciones que guardan electricidad para distribuirla— porque son seguras, duraderas y más baratas que otras baterías de ion-litio al no utilizar metales costosos como cobalto o níquel. Hoy representan casi la mitad del mercado global de baterías de ion-litio, un dato que explica por qué su reciclaje se volvió un desafío a medida que más unidades llegan al final de su vida útil.

Un reciclaje que mejora el material original

La diferencia central del procedimiento es que no descompone por completo las baterías agotadas para recuperar químicos básicos y volver a fabricar el material desde el inicio. En cambio, toma el cátodo gastado y lo convierte en un producto de mayor valor.

Wei Li, investigador posdoctoral en el laboratorio de Zheng Chen en la Escuela de Ingeniería Jacobs de la Universidad de California en San Diego y primer autor del estudio, señaló que los procesos actuales “no son ambientalmente amigables”. También explicó que consumen mucha energía y generan grandes cantidades de residuos y emisiones.

El laboratorio de Chen ya había desarrollado un método para restaurar LFP usado, aunque aquel proceso solo preservaba la química original sin mejorarla. Li resumió la limitación de aquella técnica: “Después de la regeneración, seguía siendo LFP”.

La nueva propuesta avanza un paso más al convertir ese material en LMFP. Chen afirmó que eso “podría ofrecer un uso final de más valor para las baterías usadas”.

Así convierte el equipo el cátodo agotado

El proceso comienza con la apertura de los paquetes de baterías usadas y el despliegue de su estructura interna enrollada, conocida como “jelly roll” por sus capas compactas. Una vez desenrollado y cortado en láminas, el material se sumerge en agua y una agitación mecánica suave separa el recubrimiento del cátodo de la lámina de aluminio que lo sostiene.

Li señaló que la lámina de aluminio también puede reciclarse por separado. Lo que queda es un material negro y lodoso que contiene el cátodo LFP agotado; después de retirar el agua, ese residuo se seca y se muele hasta obtener un polvo negro.

A ese polvo los investigadores le agregan litio, manganeso y sales de fosfato, que aportan los elementos necesarios para convertir LFP en LMFP. El obstáculo era estructural: esas sales tienen una estructura cristalina distinta de la del LFP y no pueden mezclarse de manera natural.

El investigador explicó: “Sus estructuras son incompatibles”. Añadió que, si se mezclaran de forma directa, “la distribución atómica del producto final no sería uniforme y tendría un peor rendimiento electroquímico”.

LMP: el intermediario que resuelve la incompatibilidad

La estrategia del equipo fue crear un material intermedio llamado fosfato de litio y manganeso, o LMP. A diferencia de las sales originales, el LMP tiene una estructura cristalina muy parecida a la del LFP, lo que vuelve compatibles a ambos materiales.

Para lograr esa transformación, la mezcla de polvo que contiene LFP usado y las sales se muele mecánicamente hasta obtener partículas más finas. Ese paso distribuye los ingredientes de manera uniforme y los pone en contacto cercano antes del calentamiento.

Luego, el polvo se aísla y se calienta. Chen describió ese momento como la etapa en la que ocurre “la química emocionante”.

Durante el calentamiento, las sales reaccionan primero para formar LMP. Como el LMP y el LFP comparten estructuras cristalinas casi idénticas, pueden combinarse con mucha más uniformidad que los ingredientes originales.

A medida que el calentamiento continúa, los átomos de manganeso se dispersan por el material y reemplazan parte de los átomos de hierro. Esa reorganización convierte la mezcla en una única estructura uniforme de LMFP.

En esa misma etapa se forma alrededor de cada partícula una fina capa de carbono. Ese recubrimiento mejora la conductividad eléctrica y protege el material durante los ciclos repetidos de carga y descarga.

El resultado final es un material reciclado que almacena más energía que el LFP original y conserva su durabilidad y seguridad. El desempeño fue consistente tanto en baterías de laboratorio de tipo moneda como en celdas tipo pouch, similares a las que se emplean en vehículos eléctricos comerciales y sistemas de almacenamiento energético.

Los próximos pasos del equipo incluyen optimizar la eficiencia y el rendimiento del proceso para mejorar su viabilidad industrial. Los investigadores también planean controlar con mayor precisión la morfología y la composición durante el reciclaje para aumentar todavía más el rendimiento del producto final.