Un nuevo aglutinante para baterías de ion-litio, desarrollado por ingenieros de la Universidad de California en San Diego, podría facilitar una fabricación y un reciclaje con menor impacto ambiental sin reducir el rendimiento de las celdas. El material, que actúa como el adhesivo que mantiene unidas las partes internas de la batería, no contiene flúor y se disuelve en agua, lo que permite reducir ingredientes tóxicos, consumo energético y residuos.
El avance se ha publicado en Nature Communications y es fruto de una colaboración entre el laboratorio de Zheng Chen, profesor del Departamento Aiiso Yufeng Li Family de Ingeniería Química y Nanoingeniería de la Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego, y John Muldoon, del Instituto de Investigación de Toyota de Norteamérica.
Un aglutinante sin flúor para baterías de ion-litio
El aglutinante se mezcla con los polvos de los electrodos para formar capas sólidas, que después se adhieren a láminas metálicas delgadas en el interior de la batería. Estas capas se apilan y se enrollan para formar la celda. Aunque este componente representa una pequeña parte del peso total, influye de forma relevante en los procesos de fabricación y reciclaje.
Las baterías de ion-litio convencionales suelen emplear aglutinantes con flúor porque permiten fabricar electrodos uniformes, con alta adherencia y estables durante numerosos ciclos de carga y descarga. Esa estabilidad contribuye al rendimiento y a la vida útil de la batería, pero también dificulta su recuperación al final de uso.
En la fabricación, los aglutinantes fluorados deben disolverse en un disolvente tóxico antes de mezclarse con los polvos de los electrodos. Tras el recubrimiento, se utilizan grandes hornos de secado para evaporar el disolvente, y son necesarios pasos adicionales para recuperarlo y purificarlo antes de reutilizarlo. Según Jiao Lin, primer autor del estudio e investigador posdoctoral en el laboratorio de Chen, estas etapas elevan el coste, el consumo de energía y el impacto ambiental del proceso.
Menos residuos en la fabricación y el reciclaje
Los aglutinantes con flúor también complican el reciclaje de baterías, ya que dejan residuos difíciles de retirar que requieren altas temperaturas o productos químicos corrosivos. Este tratamiento genera residuos peligrosos y subproductos con flúor que contaminan los materiales recuperados, lo que dificulta su reutilización en nuevas baterías.
Para abordar ambos problemas, el equipo de Chen creó un aglutinante sin flúor que puede procesarse con agua, un disolvente no tóxico. Otros aglutinantes solubles en agua ya existen, pero, según Chen, no alcanzan la resistencia y durabilidad necesarias para baterías de alto rendimiento.
El nuevo material combina dos polímeros económicos y de uso extendido. El ácido poliacrílico favorece una distribución homogénea de la mezcla durante la fabricación y aporta flexibilidad. La carboximetilcelulosa, un material de origen vegetal utilizado habitualmente en alimentos y productos de papel, proporciona resistencia y capacidad adhesiva.
Los investigadores disolvieron primero los polímeros en agua y añadieron después ácido cítrico, presente de forma natural en los cítricos, para enlazarlos químicamente. El resultado es una red conectada mediante distintos tipos de enlaces químicos que se refuerzan entre sí y aportan resistencia, flexibilidad, estabilidad y adherencia comparables a las de los aglutinantes fluorados convencionales.
Ensayos con cátodos LFP, níquel, grafito y silicio
Las baterías fabricadas con el nuevo aglutinante sin flúor ofrecieron el mismo rendimiento inicial que las baterías de ion-litio convencionales. Además, mantuvieron su capacidad durante más tiempo tras cientos o miles de ciclos de carga. El material también fue compatible con distintos tipos de electrodos, incluidos cátodos de fosfato de hierro y litio (LFP), cátodos ricos en níquel, ánodos de grafito y ánodos de silicio.
El aglutinante también podría simplificar el reciclaje. En lugar de emplear productos agresivos y altas temperaturas para retirarlo, los investigadores desmontaron la batería y sumergieron los electrodos en agua. De este modo, el aglutinante se disolvió y los recubrimientos de los electrodos se separaron limpiamente de las láminas metálicas, sin dejar residuos.
Los materiales de electrodo recuperados se regeneraron mediante procesos de reciclaje directo y se utilizaron para fabricar nuevas baterías. Estas celdas recicladas ofrecieron un rendimiento equivalente al de las fabricadas con materiales de electrodo recuperados de baterías que empleaban aglutinantes fluorados convencionales.
Los siguientes pasos del equipo se centran en escalar la producción del aglutinante para su fabricación comercial y optimizarlo para distintas químicas de baterías con el fin de mejorar su rendimiento. Chen y su grupo prevén comercializar el material mediante colaboración con socios industriales. La investigación ha contado con el apoyo de una beca ECS Toyota Young Investigator Fellowship.