El concepto de material podría hacer que los paquetes de baterías sean más fáciles de reciclar

Representación de baterías fabricadas con nuevo material electrolítico (Foto: Cortesía del equipo de investigación del MIT)

Un equipo del MIT (Instituto Tecnológico de Massachusetts) ha publicado un artículo que describe el desarrollo de un material que puede utilizarse como electrolito en una batería de estado sólido, pero que luego puede recuperar sus componentes moleculares originales al sumergirse en un líquido orgánico.

El material ofrecería una alternativa al actual proceso de reciclaje de baterías, que consiste en triturar el paquete para formar una "masa negra", que luego debe pasar por una serie de procesos químicos para recuperar cada material reciclable.

“Hasta ahora, en la industria de las baterías, nos hemos centrado en materiales y diseños de alto rendimiento, y solo más tarde intentamos descubrir cómo reciclar baterías hechas con estructuras complejas y materiales difíciles de reciclar”, dijo el primer autor del artículo, Yukio Cho.

Nuestro enfoque consiste en empezar con materiales fácilmente reciclables y descubrir cómo hacerlos compatibles con las baterías. Diseñar baterías para que sean reciclables desde el principio es un enfoque innovador.

Los electrolitos en la mayoría de los paquetes de baterías de iones de litio son altamente inflamables y se degradan con el tiempo para producir subproductos tóxicos que requieren un manejo especial.

Para crear el electrolito más sustentable, el equipo utilizó una clase de moléculas conocidas como anfifilos de aramida (AA), que tienen una estructura y estabilidad que se dice imitan al Kevlar (el material utilizado en los chalecos antibalas).

Los investigadores diseñaron entonces AA para incorporar polietilenglicol (PEG) en cada extremo de la molécula. Al exponer estas moléculas modificadas al agua, forman espontáneamente nanocintas con superficies de PEG conductoras de iones y una base que imita al Kevlar mediante enlaces de hidrógeno estrechos. Esta estructura de nanocinta puede conducir iones a través de su superficie de PEG.

Cuando se agregan al agua, millones de nanocintas se autoensamblan para formar una masa que puede prensarse en caliente hasta convertirse en un material de estado sólido.

“El material se compone de dos partes”, explicó Cho. “La primera parte es esta cadena flexible que nos proporciona un nido, o anfitrión, para que los iones de litio se muevan. La segunda parte es este resistente componente de material orgánico que se utiliza en el Kevlar. Estos le dan estabilidad a toda la estructura.

A los cinco minutos de añadirla al agua, la solución adquiere una consistencia gelatinosa, lo que indica que se han formado tantas nanocintas en el líquido que empiezan a entrelazarse. Lo emocionante es que podemos fabricar este material a gran escala gracias a su comportamiento de autoensamblaje.

El equipo procedió a construir una celda de estado sólido utilizando un cátodo de fosfato de iones de litio y un ánodo de óxido de litio y titanio, ambos materiales comunes en las baterías modernas. Las nanocintas transportaron con éxito los iones de litio entre los electrodos, pero se observó que la polarización limitaba el movimiento de los iones de litio durante la carga y la descarga. Esto reducía el rendimiento en comparación con las baterías convencionales.

“Los iones de litio se movieron a lo largo de la nanofibra sin problemas, pero llevar el ion de litio desde las nanofibras hasta el óxido metálico parece ser el punto más lento del proceso”, dijo Cho.

Al sumergirlo en un solvente orgánico, el material se disolvió inmediatamente y cada parte del mismo se desprendió, lo que ayudaría al reciclaje eficiente de los materiales individuales.

Cho dijo que el material es una prueba de concepto que demuestra el enfoque de reciclar primero.

No queremos decir que hayamos resuelto todos los problemas con este material. El rendimiento de nuestra batería no fue excelente porque solo usamos este material como electrolito completo para el papel, pero lo que imaginamos es usar este material como una sola capa en el electrolito de la batería. No es necesario usar todo el electrolito para iniciar el proceso de reciclaje.

El equipo ahora buscará optimizar el rendimiento del material, mientras explora formas de integrar estos materiales en los diseños de baterías existentes.

“Es muy difícil convencer a los proveedores actuales de que hagan algo muy diferente”, dijo Cho. “Pero con los nuevos materiales para baterías que podrían salir en cinco o diez años, podría ser más fácil integrarlos en los nuevos diseños desde el principio”.