Reciclaje de baterías de iones de Litio

Reciclaje de baterías de iones de Litio

Desde que Sony Digital Video Cameras en 1991 introdujo las baterías de iones de litio [1], estas han ido evolucionando y cada vez son más las aplicaciones, dadas sus características de alta densidad de energía, alta densidad de potencia y peso ligero [2], son propicias para el desarrollo de vehículos eléctricos. Los componentes de las baterías de iones de litio son generalmente, un cátodo, un ánodo, un separador, un electrolito, una carcasa exterior y piezas de sellado, comúnmente se utilizan varios tipos de óxidos o fosfatos de metales de transición, aluminio, cobre, grafito, electrólitos orgánicos con sales de litio nocivas, separadores de polímeros y carcasas de plástico o metálicas [3], pero según una encuesta todavía más de la mitad del mercado utiliza además metales pesados peligrosos como el cobalto [4].

En la siguiente gráfica vemos como han ido aumentando las ventas globales y el elevado consumo de automóviles eléctricos en el mercado [5] el pronóstico indica que entre 2021 y 2030, el peso total de baterías de iones de litio gastados en el mundo alcanzará los 12,85 millones de toneladas [6], al mismo tiempo, las reservas de litio, níquel, cobalto y otros metales son limitadas, y la mala disposición de estas baterías genera una gran contaminación ambiental y daños en el organismo, lo anterior conlleva a buscar formas de reciclaje de estos productos, que puedan ser utilizados nuevamente en la fabricación de baterías, y así generar un beneficio para el medio ambiente y un alivio para los recursos minerales existentes.

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Figura 1. Ventas globales y tasa de crecimiento de vehículos eléctricos[5]

Hipótesis

El proceso de reciclaje de baterías de iones de litio de vehículos eléctricos por vía hidrometalúrgica es una alternativa eficaz para recuperar el 90% de los metales presentes.

Objetivo general

Optimizar el proceso de reciclaje de baterías de iones de litio de los vehículos eléctricos por vía hidrometalúrgica de modo que genere rentabilidad económica y sea viable ambientalmente para el futuro.

Objetivos específicos

• Conseguir una recuperación igual o superior al 90% de los metales utilizados en la fabricación de baterías de iones de litio.
• Desarrollar una metodología de preparación eficiente que permita el procesamiento de diferentes tipos de baterías de iones de litio.
• Cuantificar los impactos ambientales generados durante el proceso de reciclaje.
• Verificar las características y durabilidad de los materiales recuperados.

Fundamentación

Existen dos vías principales para el reciclaje de baterías de iones de litio, por vía pirometalúrgica, donde se fusionan los materiales de interés a altas temperaturas y se recuperan como óxidos o aleaciones [7], los métodos comúnmente utilizados incluyen el método de pirólisis y el método de reducción de alta temperatura [8]. Sin embargo, el proceso pirometalúrgico no puede recuperar litio, que se espera que sea más escaso a medida que aumenta la producción de vehículos eléctricos [9], por tal motivo este proceso requiere mejoras para ser rentable en el futuro.

Para recuperar simultáneamente cobalto y litio de baterías de iones de litio gastados, Georgi-Maschler et al. [10] desarrolló un tratamiento pirometalúrgico selectivo utilizando un horno de arco eléctrico, que podría transformar las fracciones materiales de las baterías de iones de litio gastados en una aleación de cobalto y concentrados que contienen litio. El litio en este último podría recuperarse como Li2CO3 a través de un paso hidrometalúrgico, además, se podrían obtener otras fracciones de materiales, como la fracción de hierro-níquel, la fracción de aluminio y la fracción de cobre, para tratamientos posteriores [3]. El proceso pirometalúrgico tiene algunas desventajas, como la pérdida de materiales, el alto consumo de energía y la liberación de gases peligrosos (por ejemplo, dioxinas, furanos, etc.) [11-13].

La vía hidrometalúrgica, puede dividirse en los siguientes procesos, lixiviación, proceso de enriquecimiento, proceso de separación y proceso de resíntesis y preparación [14]. El proceso de lixiviación convierte los metales valiosos de compuestos de material de cátodo estables en formas que son fácilmente solubles en un medio de solución, proporcionando así materias primas para los procesos posteriores de separación y purificación [15].

En la práctica, la energía asociada con la producción de ácido y reactivos auxiliares, la recuperación de ácido y el tratamiento de lodos ácidos tiene un impacto considerable en la eficiencia energética de todo el proceso hidrometalúrgico [3].

Reciclaje físico directo

En este proceso, las baterías de iones de litio gastadas primero se descargan y se desmontan al nivel de la celda, posteriormente, las celdas se tratan con CO2 supercrítico, que puede extraer el electrolito, el CO2 se puede separar del electrolito después de que se reducen la temperatura y la presión, y el electrolito se puede reutilizar nuevamente en la fabricación de baterías. Las celdas, que están desprovistas de electrolito, se desmantelan y trituran, posteriormente los componentes de la celda se separan mediante técnicas físicas, los materiales del cátodo se recolectan y se reutilizan en baterías nuevas.

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