La crisis de los desechos electrónicos podría evitarse si hiciéramos las baterías más baratas y más fáciles de reciclar


A medida que aumenta la preocupación por los impactos del cambio climático, muchos expertos piden mayor uso de electricidad como sustituto de los combustibles fósiles. Impulsado por los avances en la tecnología de baterías, el número de vehículos eléctricos e híbridos enchufables en las carreteras de EE. UU. 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 baterías 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 entusiasmo abrumador por baterías más baratas, más potentes y con mayor densidad de energía, 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 vehículos eléctricos y muchos productos de alta tecnología, son realmente reciclados. A medida que las ventas de vehículos eléctricos y dispositivos tecnológicos continúan creciendo, no está claro quién debe manejar los desechos electrónicos peligrosos de la batería o cómo hacerlo.

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Como ingenieros que trabajan en diseñando materiales avanzados, incluyendo pilas, creemos que es importante pensar en estos temas ahora. La creación de vías para que los fabricantes de baterías creen 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 desperdicio de baterías en la próxima década.

Contenido peligroso

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 composición química y un diseño relativamente simples que los hacen fáciles de reciclar. Las baterías 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 ser recicladas. Contienen productos químicos peligrosos, como sales de litio tóxicas y metales de transición, que puede 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 dispositivos, lo que puede causar 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 que contiene.

Como resultado, la responsabilidad de manejar los desechos de las baterías con frecuencia recae en recicladores externos, compañías que ganan dinero recolectando y procesando materiales reciclables. A menudo les resulta más barato almacenar baterías que tratarlas y reciclarlas.

Tecnologías de reciclaje que pueden descomponer las baterías, como pirometalurgia, o ardiendo, y hidrometalurgia, o lixiviación ácida, se están volviendo más eficiente y económico. Pero la falta de una infraestructura adecuada de reciclaje de baterías 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 se suele realizar 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 de clase 9. Usando un modelo desarrollado por el Laboratorio Nacional Argonne, estimamos que este requisito aumenta los costos de transporte a más de 50 veces los de la carga regular.

Más seguro y sencillo

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 que ingrese al mercado en esta década.

Una batería de estado sólido reemplaza el electrolito líquido orgánico inflamable de las baterías de iones de litio por 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 aptas para el reciclaje deben ser seguras de manipular y transportar, sencillas de desmontar, rentables de fabricar y mínimamente dañinas para el medio ambiente. Después de analizar las opciones, hemos elegido una combinación de sustancias químicas específicas en las baterías de estado sólido de próxima generación que cumple 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 completamente de estado sólido.

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