La segunda vida de las baterías de iones de litio podría llevarnos al espacio
De basura a tesoro: el reciclaje de pilas usadas arroja resultados prometedores
El uso mundial de baterías de iones de litio se ha duplicado en sólo los últimos cuatro años, lo que ha generado cantidades alarmantes de residuos de baterías que contienen muchas sustancias peligrosas. La necesidad de métodos de reciclado eficaces para las baterías de iones de litio gastadas es cada vez más acuciante. En la revista ChemElectroChem, científicos de varias instituciones de investigación polacas, entre ellas la Universidad de Ciencia y Tecnología de Bydgoszcz (PBS), el Instituto de Investigación Tecnológica Fundamental de la Academia Polaca de Ciencias, el Instituto de Química Física del PAS de Varsovia y la Universidad de Ciencia y Tecnología de Breslavia, presentaron una solución prometedora a este problema.
La investigación se basó en material de carbono extraído de electrodos de baterías de iones de litio (LIB) gastadas. Estos electrodos se sometieron a un proceso de lixiviación ácida para recuperar metales valiosos. Dependiendo de las condiciones experimentales, el material de carbono resultante quedaba más o menos decapado y, tras ser pulverizado, seguía conteniendo trazas de metales, entre ellos cobalto, que es un metal utilizado a menudo en catálisis. El objetivo de la investigación era reutilizar estos materiales de pila en procesos catalíticos, con especial atención a los que facilitan la producción de peróxido de hidrógeno.
"El peróxido de hidrógeno es una de las moléculas químicas fundamentales, esencial para numerosas industrias. La producción a gran escala de esta sustancia suele exigir altas presiones y temperaturas, catalizadores costosos y diversos electrolitos tóxicos. Nuestro objetivo era desarrollar un método más respetuoso con el medio ambiente para producir peróxido de hidrógeno: en concreto, un enfoque electroquímico utilizando catalizadores derivados de baterías de iones de litio usadas", explica la Dra. Eng. Magdalena Warczak (PBS), jefa del proyecto y autora principal del artículo que detalla este logro.
Las pruebas electroquímicas revelaron que los materiales recuperados de baterías LIB usadas, que contienen nanoestructuras de carbono y cobalto, presentan propiedades catalíticas en la reacción de reducción del oxígeno. Sin embargo, también se descubrió que estas propiedades dependen en gran medida del tipo de muestra, concretamente de su composición y estructura, que están influidas en gran medida por la composición de los baños de grabado utilizados para limpiar los electrodos extraídos de las baterías de iones de litio.
"Para posibles aplicaciones futuras, el hallazgo crucial es que, a partir de los datos obtenidos en experimentos con un electrodo giratorio, hemos podido determinar el número de electrones que intervienen en la reducción de una sola molécula de oxígeno. La reducción electroquímica del oxígeno puede producirse con cuatro o con dos electrones. En el caso de cuatro electrones, se produce agua, pero con dos electrones, obtenemos el deseado peróxido de hidrógeno. En todas las muestras que probamos, observamos la reducción con dos electrones", explica el Dr. Warczak.
Para eliminar el posible impacto del electrodo de carbono vítreo utilizado como sustrato en los resultados, las mediciones se repitieron en sistemas en los que los polvos individuales de la pila estaban suspendidos entre dos líquidos inmiscibles. El líquido orgánico contenía decametilferroceno, un compuesto que dona electrones en la reacción de reducción de oxígeno estudiada. La reducción del oxígeno se produjo espontáneamente en la interfase entre los líquidos. Estos estudios confirmaron que, de forma similar a los experimentos con el electrodo de carbono vítreo, todas las muestras catalizaban la reacción de reducción de oxígeno para producir peróxido de hidrógeno. Las concentraciones de peróxido de hidrógeno en la interfase, medidas con un microscopio electroquímico de barrido, eran de uno a dos órdenes de magnitud superiores a las de los sistemas sin residuos de pilas.
"Las baterías de iones de litio se han considerado generalmente sólo una fuente secundaria de materiales de carbono, principalmente grafito, y metales como el litio, el cobalto o el níquel. Mientras tanto, los hallazgos de nuestro grupo demuestran claramente que los residuos de las pilas pueden catalizar la reducción del oxígeno a peróxido de hidrógeno y, en el futuro, esto podría conducir a su uso en la producción de este importante compuesto químico", concluye el Dr. Warczak.
El peróxido de hidrógeno a una concentración del 3% se vende en farmacias como desinfectante para heridas e inflamaciones, aunque su eficacia para el cuidado de heridas es discutible. Las soluciones con concentraciones de hasta el 15% se utilizan como decolorantes en productos de limpieza doméstica y cosméticos, como los aclaradores del cabello. Una solución con una concentración en torno al 30%, conocida como peróxido de hidrógeno, es crucial en diversas industrias, como la fabricación de productos químicos (para la síntesis del peróxido y como oxidante), la fabricación de pasta de papel y productos textiles (como blanqueante), el caucho (como materia prima), la electrónica y el metal (como agente grabador) y el procesado de alimentos (como sustancia biocida).
Curiosamente, el peróxido de hidrógeno también puede servir como oxidante para combustibles, incluidos los de los cohetes. Desempeñó este papel por primera vez en la década de 1940, cuando se utilizó en los primeros cohetes capaces de cruzar la frontera convencional del espacio. Sin embargo, en aquella época, sus concentraciones no superaban el 80%, y las limitaciones tecnológicas dificultaban las misiones a largo plazo. En cambio, a altas concentraciones (98% o más), el peróxido de hidrógeno es uno de los propulsores más respetuosos con el medio ambiente. Hace apenas unas semanas, se utilizó por primera vez en vuelos espaciales, impulsando un cohete suborbital construido en el Instituto Lukasiewicz de Aviación de Varsovia.
Proseguirá la investigación sobre la producción de peróxido de hidrógeno a partir de materiales de carbono recuperados de baterías de iones de litio gastadas, financiada anteriormente con una subvención SONATA del Centro Nacional Polaco de Ciencia. La atención se centrará en mejorar la eficiencia de las reacciones electroquímicas hasta un nivel adecuado para su futuro uso industrial. Los planes de futuro también incluyen explorar la reducción de cuatro electrones para posibles aplicaciones en pilas de combustible.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
Magdalena Warczak, Magdalena Osial, Weronika Urbańska, Natalia Sławkowska, Agnieszka Dąbrowska, Magdalena Bonarowska, Marcin Pisarek, Roman Minikayev, Michael Giersig, Marcin Opallo; "Insights into the High Catalytic Activity of Li‐Ion Battery Waste toward Oxygen Reduction to Hydrogen Peroxide"; ChemElectroChem, Volume 11, 2024-6-27
Más noticias del departamento ciencias
Reciba la química en su bandeja de entrada
No se pierda nada a partir de ahora: Nuestro boletín electrónico de química, análisis, laboratorio y tecnología de procesos le pone al día todos los martes y jueves. Las últimas noticias del sector, los productos más destacados y las innovaciones, de forma compacta y fácil de entender en su bandeja de entrada. Investigado por nosotros para que usted no tenga que hacerlo.
