El auge actual de los vehículos eléctricos se traducirá en la montaña de residuos electrónicos del mañana. Y aunque se están realizando innumerables esfuerzos para mejorar el reciclaje de baterías, muchas de ellas aún terminan en vertederos.

Un equipo de investigación del MIT quiere contribuir a cambiar esta situación con un nuevo tipo de material autoensamblable para baterías que se desintegra rápidamente al sumergirse en un líquido orgánico simple. En un nuevo artículo publicado en Nature Chemistry, los investigadores demostraron que el material puede actuar como electrolito en una celda de batería de estado sólido en funcionamiento y luego recuperar sus componentes moleculares originales en minutos.

Este enfoque ofrece una alternativa a la trituración de la batería en una masa mixta difícil de reciclar. En cambio, dado que el electrolito actúa como capa de conexión de la batería, cuando el nuevo material recupera su forma molecular original, la batería se desmonta por completo para acelerar el proceso de reciclaje.

“Hasta ahora, en la industria de las baterías, nos hemos centrado en materiales y diseños de alto rendimiento, y solo más tarde intentamos descubrir cómo reciclar baterías fabricadas con estructuras complejas y materiales difíciles de reciclar”, afirma el primer autor del artículo, Yukio Cho, PhD '23. “Nuestro enfoque consiste en empezar con materiales fácilmente reciclables y descubrir cómo hacerlos compatibles con las baterías. Diseñar baterías para que sean reciclables desde el principio es un enfoque innovador”.

Junto a Cho en el artículo están el candidato a doctorado Cole Fincher, el doctor Ty Christoff-Tempesta (doctorado '22), el profesor de cerámica Kyocera Yet-Ming Chiang, la profesora asociada visitante Julia Ortony, Xiaobing Zuo y Guillaume Lamour.

Mejores baterías

Hay una escena en una de las películas de "Harry Potter" donde el profesor Dumbledore limpia una casa en ruinas con un simple gesto de la muñeca y un hechizo. Cho dice que esa imagen se le quedó grabada de niño. (¿Qué mejor manera de limpiar tu habitación?) Cuando vio una charla de Ortony sobre la ingeniería molecular para que pudieran ensamblarse en estructuras complejas y luego volver a su forma original, se preguntó si podría usarse para que el reciclaje de baterías funcionara como magia.

Esto representaría un cambio de paradigma para la industria de las baterías. Hoy en día, las baterías requieren productos químicos agresivos, altas temperaturas y un procesamiento complejo para su reciclaje. Una batería consta de tres partes principales: el cátodo con carga positiva, el electrodo con carga negativa y el electrolito, que transporta los iones de litio entre ellos. Los electrolitos de la mayoría de las baterías de iones de litio son altamente inflamables y se degradan con el tiempo en subproductos tóxicos que requieren un manejo especializado.

Para simplificar el proceso de reciclaje, los investigadores decidieron crear un electrolito más sostenible. Para ello, recurrieron a una clase de moléculas que se autoensamblan en agua, denominadas anfífilos de aramida (AA), cuya estructura química y estabilidad imitan la del kevlar. Además, los investigadores diseñaron los AA para que contuvieran polietilenglicol (PEG), capaz de conducir iones de litio, en un extremo de cada molécula. Al exponer las moléculas al agua, forman espontáneamente nanocintas con superficies y bases de PEG conductoras de iones que imitan la robustez del kevlar mediante fuertes enlaces de hidrógeno. El resultado es una estructura de nanocinta mecánicamente estable que conduce iones a través de su superficie.

“El material se compone de dos partes”, explica Cho. “La primera parte es esta cadena flexible que nos proporciona un nido, o anfitrión, para que los iones de litio se dispersen. La segunda parte es este resistente componente orgánico que se utiliza en el Kevlar, un material a prueba de balas. Estos componentes le dan estabilidad a toda la estructura”.

Cuando se agregan al agua, las nanocintas se autoensamblan para formar millones de nanocintas que pueden prensarse en caliente para obtener un material de estado sólido.

“A los cinco minutos de añadirla al agua, la solución adquiere una consistencia gelatinosa, lo que indica que se han formado tantas nanofibras en el líquido que empiezan a entrelazarse”, afirma Cho. “Lo emocionante es que podemos fabricar este material a gran escala gracias a su comportamiento de autoensamblaje”.

El equipo probó la resistencia y dureza del material y descubrió que soportaba las tensiones asociadas con la fabricación y el funcionamiento de la batería. También construyeron una celda de estado sólido que utilizaba fosfato de hierro y litio como cátodo y óxido de titanio y litio como ánodo, ambos materiales comunes en las baterías actuales. Las nanocintas transportaron los iones de litio entre los electrodos con éxito, pero un efecto secundario conocido como polarización limitó el movimiento de los iones de litio hacia los electrodos de la batería durante las rápidas fases de carga y descarga, lo que redujo su rendimiento en comparación con las baterías comerciales de referencia actuales.

“Los iones de litio se movieron a lo largo de la nanofibra sin problemas, pero llevar el ion de litio desde las nanofibras hasta el óxido metálico parece ser el punto más lento del proceso”, dice Cho.

Al sumergir la celda de la batería en disolventes orgánicos, el material se disolvió al instante, desprendiéndose cada parte para facilitar su reciclaje. Cho comparó la reacción de los materiales con la de un algodón de azúcar sumergido en agua.

“El electrolito mantiene unidos los dos electrodos de la batería y proporciona las vías de iones de litio”, explica Cho. “Así, al reciclar la batería, toda la capa de electrolito puede desprenderse de forma natural y los electrodos pueden reciclarse por separado”.

Validando un nuevo enfoque

Cho dice que el material es una prueba de concepto que demuestra el enfoque de reciclar primero.

“No queremos decir que hayamos resuelto todos los problemas con este material”, dice Cho. “El rendimiento de nuestra batería no fue excelente porque solo usamos este material como electrolito completo para el papel, pero lo que imaginamos es usar este material como una sola capa en el electrolito de la batería. No es necesario usar todo el electrolito para iniciar el proceso de reciclaje”.

Cho también ve mucho margen para optimizar el rendimiento del material con más experimentos.

Ahora, los investigadores están explorando formas de integrar este tipo de materiales en diseños de baterías existentes, así como también implementar las ideas en nuevas químicas de baterías.

“Es muy difícil convencer a los proveedores actuales de que hagan algo muy diferente”, afirma Cho. “Pero con los nuevos materiales para baterías que podrían salir en cinco o diez años, podría ser más fácil integrarlos en los nuevos diseños desde el principio”.

Cho también cree que el enfoque podría ayudar a recuperar los suministros de litio al reutilizar materiales de baterías que ya están en Estados Unidos.

“La gente está empezando a comprender la importancia de esto”, afirma Cho. “Si podemos empezar a reciclar baterías de iones de litio a partir de residuos de baterías a gran escala, tendrá el mismo efecto que abrir minas de litio en EE. UU. Además, cada batería requiere una cierta cantidad de litio, así que, extrapolando el crecimiento de los vehículos eléctricos, necesitamos reutilizar este material para evitar picos masivos en el precio del litio”.

El trabajo fue apoyado, en parte, por la Fundación Nacional de Ciencias y el Departamento de Energía de EE. UU.

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