Diseñar baterías para un reciclaje más fácil podría evitar la inminente crisis de residuos electrónicos

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 gasten?

A pesar del abrumador entusiasmo por las baterías más baratas, potentes y con mayor densidad energética, los fabricantes han prestado comparativamente poca atención a hacer que estos dispositivos esenciales sean más sostenibles. En Estados Unidos, sólo alrededor del 5% de las baterías de iones de litio (la tecnología preferida para los vehículos eléctricos y muchos productos de alta tecnología) se reciclan realmente. 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 trabajamos en el diseño de materiales avanzados, incluidas baterías, creemos que es importante pensar en estas cuestiones ahora. Crear 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 de consumo puede reducir la probabilidad de una crisis de desechos de baterías en la próxima década.

Contenidos peligrosos

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

Algunos tipos de baterías ampliamente utilizadas (en particular, las baterías de plomo-ácido en los automóviles que funcionan con gasolina) tienen una composición química y un diseño relativamente simples que las hacen fáciles de reciclar. Las baterías alcalinas o de agua no recargables comunes que alimentan dispositivos como linternas y detectores de humo pueden desecharse directamente en los vertederos.

Sin embargo, las baterías de iones de litio actuales son muy sofisticadas y no están diseñadas para ser reciclables. 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 dispositivos) que puede provocar incendios o explosiones, o dañar a las personas que las manipulan.

Además, los fabricantes tienen pocos incentivos económicos para modificar los protocolos existentes para incorporar diseños que favorezcan el reciclaje. Hoy en día cuesta más reciclar una batería de iones de litio de lo que valen los materiales recuperables que contiene.

Como resultado, la responsabilidad del manejo de los desechos de 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 barato almacenar las baterías que tratarlas y reciclarlas.

Las tecnologías de reciclaje que pueden descomponer las baterías, como la pirometalurgia o quema y la hidrometalurgia o lixiviación ácida, son cada vez más eficientes y económicas. 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 normalmente se haría en camión. Las baterías de litio deben empaquetarse y enviarse de acuerdo con las regulaciones de materiales peligrosos Clase 9 del Departamento de Transporte de EE. UU. Utilizando 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 actual 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 en esta década.

Una batería de estado sólido reemplaza el electrolito líquido orgánico inflamable en 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 reciclabilidad 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, fáciles de desmontar, rentables de fabricar y mínimamente dañinas para el medio ambiente. Después de analizar las opciones, hemos elegido una combinación de químicas específicas en baterías de estado sólido de próxima generación que cumplen con estos requisitos.

Nuestra estrategia de diseño reduce la cantidad de pasos necesarios para desmantelar la batería y evita el uso de combustión o productos químicos nocivos como ácidos o solventes orgánicos tóxicos. En cambio, emplea únicamente materiales seguros y de bajo costo, como alcohol y técnicas de reciclaje a base de 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.

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 enteramente de componentes no inflamables. Además, en el diseño que proponemos, toda la batería se puede reciclar directamente sin separarla en componentes individuales. Esta característica reduce drásticamente la complejidad y el costo de reciclarlos.

Nuestro diseño es una tecnología de prueba de concepto desarrollada a escala de laboratorio. En última instancia, corresponde a las empresas privadas y a 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 surgen de la compleja logística de su manipulación. Crear instalaciones, regulaciones y prácticas para recolectar baterías es tan importante como desarrollar mejores tecnologías de reciclaje. China, Corea del Sur y la Unión Europea ya están desarrollando sistemas y mandatos de reciclaje de baterías.

Un paso útil sería que los gobiernos exijan 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 residuos sobre cómo manipular los diferentes tipos de baterías usadas.

Las marcas podrían tomar la forma de una etiqueta electrónica impresa en las etiquetas de las baterías con información incorporada, 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 residuos.

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

Una empresa de este tipo requeriría que los fabricantes y las agencias reguladoras trabajaran juntos en diseños más nuevos que favorecieran 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.