Desarrollan un aglutinante sin flúor que facilita el reciclaje de baterías de ion-litio

Investigadores de la Universidad de California en San Diego han creado un material soluble en agua que permite recuperar los componentes de los electrodos sin recurrir a altas temperaturas ni productos químicos agresivos, manteniendo el rendimiento de las baterías.

Un equipo de investigadores de la Universidad de California en San Diego (UC San Diego), en EE.UU., en colaboración con Toyota Research Institute of North America, ha desarrollado un nuevo aglutinante para baterías de ion-litio que podría reducir el impacto ambiental de su fabricación y facilitar su reciclaje. El material, libre de flúor y soluble en agua, permite simplificar distintas etapas del proceso industrial y recuperar los materiales de los electrodos sin dejar residuos persistentes.

El avance, publicado en la revista científica Nature Communications, se ha desarrollado en el laboratorio de Zheng Chen, profesor del Departamento de Ingeniería Química y Nanoingeniería de la Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego, junto con John Muldoon, investigador de Toyota Research Institute of North America.

Los aglutinantes son materiales que mantienen unidos los polvos de los electrodos y permiten formar capas sólidas que se adhieren a láminas metálicas en el interior de las baterías. Aunque representan una pequeña proporción de su peso total, desempeñan un papel importante tanto en el rendimiento del dispositivo como en los procesos de fabricación y recuperación de materiales al final de su vida útil.

Eliminar el flúor para reducir el impacto ambiental

Las baterías de ion-litio convencionales suelen emplear aglutinantes que contienen flúor, ya que ofrecen una elevada adhesión y estabilidad durante los ciclos de carga y descarga. Sin embargo, estas propiedades también dificultan la recuperación de los materiales cuando las baterías llegan al final de su vida útil.

Para procesar estos aglutinantes es necesario utilizar disolventes tóxicos, que posteriormente deben evaporarse mediante hornos industriales. Además, se requieren etapas adicionales para recuperar y purificar los disolventes con vistas a su reutilización. Según los investigadores, estas operaciones incrementan el consumo energético, los costes de fabricación y el impacto ambiental del proceso.

Las dificultades también se trasladan al reciclaje. Los aglutinantes convencionales pueden dejar residuos persistentes que requieren altas temperaturas o productos químicos corrosivos para su eliminación. Estos tratamientos generan residuos peligrosos y subproductos que contienen flúor, capaces de contaminar los materiales recuperados y dificultar su reutilización en nuevas baterías.

Una formulación basada en polímeros de uso común

Para superar estas limitaciones, el equipo ha desarrollado un aglutinante a partir de dos polímeros económicos y ampliamente utilizados: el ácido poliacrílico y la carboximetilcelulosa. El primero contribuye a distribuir uniformemente la mezcla durante la fabricación y aporta flexibilidad, mientras que la segunda, un material de origen vegetal empleado en productos alimentarios y papeleros, proporciona resistencia y adhesión.

Ambos polímeros se disuelven en agua y, posteriormente, se añade ácido cítrico para establecer enlaces químicos entre ellos. El resultado es una red de polímeros interconectados que combina resistencia, flexibilidad, estabilidad y capacidad adhesiva, características necesarias para competir con los aglutinantes convencionales que contienen flúor.

La utilización de agua como disolvente elimina la necesidad de recurrir a los disolventes tóxicos empleados habitualmente y abre la posibilidad de simplificar las operaciones de secado y recuperación de sustancias durante la fabricación de los electrodos.

Rendimiento comparable y recuperación de los electrodos con agua

Las baterías fabricadas con el nuevo material mostraron un rendimiento inicial equivalente al de las baterías de ion-litio convencionales. Además, mantuvieron su capacidad durante más tiempo tras cientos o miles de ciclos de carga, según los resultados del estudio.

El aglutinante también demostró compatibilidad con distintas configuraciones de electrodos, incluidos los cátodos de fosfato de hierro y litio (LFP), los cátodos ricos en níquel y los ánodos de grafito y silicio.

Una de las principales ventajas de la nueva formulación se encuentra en la fase de reciclaje. En lugar de recurrir a tratamientos térmicos intensivos o productos químicos agresivos para eliminar el aglutinante, los investigadores desmontaron las baterías y sumergieron los electrodos en agua.

El procedimiento permitió disolver el material aglutinante y separar limpiamente los recubrimientos de los electrodos de las láminas metálicas, sin dejar residuos. A continuación, los materiales recuperados se regeneraron mediante procesos de reciclaje directo y se utilizaron para fabricar nuevas baterías.

Según los resultados publicados, las baterías fabricadas con estos materiales reciclados ofrecieron un rendimiento equivalente al de las elaboradas con materiales recuperados de baterías que habían utilizado aglutinantes convencionales con flúor.

El reto de trasladar la tecnología a escala industrial

El siguiente paso será ampliar la producción del nuevo aglutinante para evaluar su aplicación en procesos de fabricación comercial. El equipo investigador trabaja también en la optimización de su formulación para distintas químicas de baterías, con el objetivo de mejorar sus prestaciones y ampliar sus posibles aplicaciones.

Chen y su equipo prevén avanzar hacia la comercialización mediante colaboraciones con socios industriales.

Así, y aunque todavía será necesario avanzar en su escalado industrial, el nuevo aglutinante plantea una alternativa para mejorar la reciclabilidad de las baterías de ion-litio sin comprometer su rendimiento.