El diseño de baterías para facilitar el reciclaje podría evitar una inminente crisis de desechos electrónicos. ¿Qué pasa con eso?

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¿Qué sucede con millones de estos? Kristoferb/Wikipedia, CC BY-SA

Zheng Chen, Universidad de California San Diego y Darren HS Bronceado, Universidad de California San Diego

A medida que aumenta la preocupación por los impactos del cambio climático, muchos expertos piden mayor consumo de electricidad como sustituto de los combustibles fósiles. Impulsado por los avances en la tecnología de baterías, el número de vehículos híbridos y eléctricos enchufables en las carreteras estadounidenses está aumentando. Y las empresas de servicios públicos están generando una parte cada vez mayor de su energía a partir de combustibles renovables, con el apoyo de sistemas de almacenamiento de batería a gran escala.

Estas tendencias, junto con un volumen creciente de teléfonos, relojes, computadoras portátiles, dispositivos portátiles y otras tecnologías de consumo que funcionan con baterías, nos dejan preguntándonos: ¿Qué pasará con todas estas baterías una vez que se agoten?

A pesar del abrumador entusiasmo por las baterías más baratas, más potentes y de mayor densidad energética, los fabricantes han prestado comparativamente poca atención a hacer que estos dispositivos esenciales sean más sostenibles. En los EE. UU., solo alrededor del 5% de las baterías de iones de litio, la tecnología preferida para los vehículos eléctricos y muchos productos de alta tecnología, en realidad son reciclados. A medida que las ventas de vehículos eléctricos y dispositivos tecnológicos continúan creciendo, no está claro quién debe manejar los desechos peligrosos de las baterías o cómo hacerlo.

Como ingenieros que trabajan en diseño de materiales avanzadosincluido baterías, creemos que es importante pensar en estos temas ahora. La creación de vías para que los fabricantes de baterías construyan procesos de fabricación sostenibles desde la producción hasta el reciclaje que cumplan con los estándares ambientales y del consumidor puede reducir la probabilidad de una crisis de desechos de baterías en la próxima década. https://www.youtube.com/embed/iFchfHH0qzg?wmode=transparent&start=0 Las baterías gastadas de los vehículos eléctricos aún pueden alimentar dispositivos como farolas, pero actualmente no existe ningún requisito para reutilizarlas. Reciclarlos es costoso y técnicamente complejo.

Contenidos peligrosos

Las baterías plantean desafíos de reciclaje y eliminación más complejos que los metales, plásticos y productos de papel porque contienen muchos componentes químicos que son tóxicos y difíciles de separar.

Algunos tipos de baterías de uso generalizado, en particular, las baterías de plomo-ácido en los automóviles que funcionan con gasolina, tienen una química y un diseño relativamente simples que las hacen fáciles de reciclar. Las pilas comunes no recargables alcalinas o a base de agua que alimentan dispositivos como linternas y detectores de humo se pueden desechar directamente en los vertederos.

Sin embargo, las baterías de iones de litio actuales son muy sofisticadas y no están diseñadas para reciclarse. Contienen sustancias químicas peligrosas, como sales de litio tóxicas y metales de transición, que pueden dañar el medio ambiente y filtrarse a las fuentes de agua. Las baterías de litio usadas también contienen energía electroquímica incorporada (una pequeña cantidad de carga que queda después de que ya no pueden alimentar los dispositivos) que puede provocar incendios o explosiones, o dañar a las personas que los manejan.

Además, los fabricantes tienen pocos incentivos económicos para modificar los protocolos existentes para incorporar diseños amigables con el reciclaje. hoy es cuesta más reciclar una batería de iones de litio de lo que valen los materiales recuperables en su interior.

Como resultado, la responsabilidad de manejar los desechos de las baterías con frecuencia recae en recicladores externos, empresas que ganan dinero con la recolección y el procesamiento de materiales reciclables. A menudo les resulta más económico almacenar las baterías que tratarlas y reciclarlas.

Tecnologías de reciclaje que pueden descomponer las baterías, como pirometalurgiao ardiendo, y hidrometalurgiao lixiviación ácida, se están volviendo más eficiente y económico. Pero la falta de una infraestructura de reciclaje de baterías adecuada crea obstáculos a lo largo de toda la cadena de suministro.

Por ejemplo, el transporte de baterías usadas a largas distancias hasta los centros de reciclaje normalmente se haría en camión. Las baterías de litio deben empaquetarse y enviarse de acuerdo con las normas del Departamento de Transporte de EE. UU. Regulaciones de materiales peligrosos Clase 9. Usando un modelo desarrollado por el Laboratorio Nacional de Argonneestimamos que este requisito incrementa los costos de transporte a más de 50 veces los de la carga regular.

Más seguro y más simple

Si bien será un desafío incorporar la reciclabilidad en la fabricación existente de baterías de iones de litio convencionales, es vital desarrollar prácticas sostenibles para las baterías de estado sólido, que son una tecnología de próxima generación que se espera ingrese al mercado dentro de esta década.

Una batería de estado sólido reemplaza el electrolito líquido orgánico inflamable en las baterías de iones de litio con un electrolito sólido inorgánico no inflamable. Esto permite que la batería funcione en un rango de temperatura mucho más amplio y reduce drásticamente el riesgo de incendios o explosiones. Nuestro equipo de nanoingenieros está trabajando para incorporar la facilidad de reciclaje en el desarrollo de baterías de estado sólido de próxima generación antes de que estas baterías ingresen al mercado.

Conceptualmente, las baterías fáciles de reciclar deben ser seguras de manipular y transportar, fáciles de desmontar, rentables de fabricar y mínimamente dañinas para el medio ambiente. Después de analizar las opciones, hemos elegido una combinación de productos químicos específicos en baterías de estado sólido de última generación que cumple con estos requisitos.

Nuestra estrategia de diseño reduce el número de pasos necesarios para desmontar la batería y evita el uso de combustión o productos químicos nocivos como ácidos o disolventes orgánicos tóxicos. En cambio, emplea solo materiales seguros y de bajo costo, como técnicas de reciclaje a base de alcohol y agua. Este enfoque es escalable y respetuoso con el medio ambiente. Simplifica drásticamente los procesos de reciclaje de baterías convencionales y hace que sea seguro desmontar y manipular los materiales.

Diagrama que muestra los pasos para reciclar una batería de estado sólido.
Un procedimiento propuesto para reciclar paquetes de baterías de estado sólido directamente y recolectar sus materiales para su reutilización. Tan et al., 2020, CC POR

En comparación con el reciclaje de baterías de iones de litio, el reciclaje de baterías de estado sólido es intrínsecamente más seguro, ya que están hechas completamente de componentes no inflamables. Además, en nuestro diseño propuesto, toda la batería se puede reciclar directamente sin separarla en componentes individuales. Esta característica reduce drásticamente la complejidad y el costo de reciclarlos.

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Nuestro diseño es una tecnología de prueba de concepto desarrollada a escala de laboratorio. En última instancia, depende de las empresas privadas y las instituciones públicas, como los laboratorios nacionales o las instalaciones de residuos estatales, aplicar estos principios de reciclaje a escala industrial.

Reglas para el reciclaje de baterías

Desarrollar una batería fácil de reciclar es solo un paso. Muchos desafíos asociados con el reciclaje de baterías se derivan de la compleja logística de su manejo. La creación de instalaciones, reglamentos y prácticas para la recolección de baterías es tan importante como el desarrollo de mejores tecnologías de reciclaje. China, Corea del Sur y la Unión Europea son ya están desarrollando sistemas y mandatos de reciclaje de baterías.

Un paso útil sería que los gobiernos exigieran que las baterías lleven etiquetas universales, similares a las etiquetas estándar reconocidas internacionalmente que se utilizan para el reciclaje de plásticos y metales. Estos podrían ayudar a educar a los consumidores y recolectores de desechos sobre cómo manejar diferentes tipos de baterías usadas.

Las marcas podrían tomar la forma de una etiqueta electrónica impresa en las etiquetas de la batería con información incrustada, como el tipo de química, la edad y el fabricante. Hacer que estos datos estén fácilmente disponibles facilitaría la clasificación automatizada de grandes volúmenes de baterías en las instalaciones de desechos.

También es vital mejorar la aplicación internacional de las políticas de reciclaje. La mayoría de los desechos de las baterías no se generan donde se produjeron originalmente, lo que dificulta responsabilizar a los fabricantes por su manejo.

Tal compromiso requeriría que los fabricantes y las agencias reguladoras trabajen juntos en nuevos diseños amigables con el reciclaje y una mejor infraestructura de recolección. Al enfrentar estos desafíos ahora, creemos que es posible evitar o reducir los efectos nocivos del desperdicio de baterías en el futuro.

Zheng ChenProfesor Asistente de Ingeniería, Universidad de California San Diego y Darren HS BronceadoCandidato a Doctor en Ingeniería Química, Universidad de California San Diego

Este artículo se vuelve a publicar de La conversación bajo una licencia Creative Commons. Leer el artículo original.

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