Con el avance de la tecnología y la mejora de los niveles de vida, las baterías se han convertido en dispositivos esenciales de almacenamiento de energía, ampliamente utilizados en equipos electrónicos móviles. vehículos eléctricos, y sistemas de baterías de almacenamiento de energía renovableSin embargo, debido a su corta vida útil, la generación a gran escala de baterías usadas representa una grave amenaza para el medio ambiente. Las baterías desechadas contienen metales pesados y sustancias químicas peligrosas que, si no se tratan adecuadamente, pueden causar contaminación ecológica a largo plazo, poner en peligro la salud humana y provocar la pérdida de valiosos recursos metálicos como el litio, el cobalto y el níquel. Por lo tanto, desde la perspectiva de la protección ambiental y el aprovechamiento de los recursos, el tratamiento y el reciclaje eficientes de las baterías usadas revisten gran importancia para lograr la circularidad de los recursos y el desarrollo sostenible.
Aplicaciones de baterías y crecimiento del mercado
Durante los últimos 200 años, las baterías han sido un dispositivo esencial de almacenamiento de energía, ampliamente utilizado en electrónica portátil, vehículos eléctricos y otros campos debido a su bajo costo, seguridad, estabilidad, alta eficiencia de conversión y buena adaptabilidad ambiental [1]. Sin embargo, con el rápido ritmo de las mejoras en el consumo y la creciente demanda de vehículos eléctricos, se estima que entre enero y junio de 2024, los mercados nacionales e internacionales venderán 318.1 GWh, 84.5 GWh y 23 GWh, respectivamente. La producción y las ventas de vehículos de nueva energía alcanzaron los 4.929 millones de unidades, lo que representa un crecimiento interanual del 30.1 % y el 32.0 %, respectivamente. Las exportaciones chinas de vehículos eléctricos totalizaron 1.0849 millones de unidades, un aumento del 36.9 % con respecto al mismo período del año anterior.
Vida útil de la batería y generación de residuos
Además, los datos muestran que las baterías de plomo-ácido tienen generalmente una vida útil de 2 a 3 años, las de níquel-metal hidruro de 3 a 5 años y las de iones de litio de 2 a 6 años. Esta corta vida útil ha generado una gran cantidad de baterías desechadas. Según las predicciones del Instituto de Investigación de la Industria y los Negocios de China, la cantidad de baterías desechadas baterías de iones de litio de alta potencia Se prevé que la producción en China alcance los 1.04 millones de toneladas en 2025 y aumente a 3.5 millones de toneladas en 2030. Además, se estima que el tamaño del mercado de reciclaje de baterías de energía en China alcanzará aproximadamente los 140 mil millones de RMB en 2030, unas nueve veces mayor que en 2022.
Desafíos en el reciclaje y la regulación del mercado
Sin embargo, debido a estándares obsoletos, un número limitado de empresas cualificadas y una supervisión deficiente, una gran parte de las baterías usadas termina en pequeños talleres, lo que supone importantes riesgos para la seguridad y dificulta seriamente el desarrollo estandarizado del mercado de reciclaje de baterías en China. Para 2023, la tasa de reciclaje estandarizado de baterías para vehículos de nueva energía en China era inferior al 25 %, y más del 70 % de las baterías usadas se destinaban a canales de reciclaje ilegales. En 2018, la cantidad total de baterías desechadas en China alcanzó las 7.4 000 toneladas, de las cuales solo 5,472 toneladas se reciclaron correctamente, lo que representa apenas el 7,4 % del total, muy por debajo de las previsiones.
Riesgos ambientales y de salud
El tratamiento inadecuado de los materiales de los electrodos y los electrolitos en las baterías usadas puede provocar una grave contaminación ambiental debido a la liberación de iones metálicos como níquel, cobalto y manganeso, así como otros compuestos orgánicos, que también pueden representar riesgos para la salud humana. Al mismo tiempo, estos materiales poseen un importante valor económico. Sin un reciclaje adecuado, no solo se desperdiciarían valiosos recursos, sino que también aumentaría la dependencia de China del mineral de hierro, lo que podría afectar la seguridad energética nacional.
Valor de los recursos y significado estratégico
Por ejemplo, el contenido de cobalto, litio y níquel en los materiales catódicos es significativamente mayor que sus concentraciones en los minerales naturales, alcanzando aproximadamente entre el 5 % y el 20 %, entre el 5 % y el 7 % y entre el 5 % y el 10 %, respectivamente, y conteniendo además oligoelementos como cobre, aluminio y hierro. Los recursos de litio presentan patrones de distribución geopolítica claros, y su reciclaje puede reducir la dependencia del suministro extranjero a la vez que mejora la seguridad de los recursos nacionales. La recuperación eficiente de metales valiosos de los materiales usados es fundamental. baterías de iones de litio No solo genera considerables beneficios económicos, sino que también reviste una importante importancia geopolítica.
Esta revisión resume los tipos de baterías, los sistemas electroquímicos y sus principios de funcionamiento. Proporciona un análisis comparativo de los diseños de baterías de principios del siglo XIX, como las de zinc-carbono y plomo-ácido, y las tecnologías modernas, incluidas las de níquel-metal hidruro (NiMH) y las de plomo-ácido reguladas por válvula (VRLA), centrándose en sus mecanismos de reacción, ventajas y desventajas, y campos de aplicación, tal como se detalla en la Tabla 1. La revisión destaca que las futuras tecnologías de baterías seguirán optimizándose para lograr una mayor vida útil, menores costos y un mejor desempeño ambiental, con el fin de satisfacer las diversas demandas de las aplicaciones residenciales, industriales y aeroespaciales.
La estructura básica de la gran mayoría de las baterías suele incluir un cátodo, un ánodo, un electrolito, un separador y una carcasa. baterías de iones de litio Por ejemplo, en cuanto a su composición: el material del cátodo suele contener metales de alta valencia, mientras que el del ánodo se compone principalmente de materiales a base de carbono, como grafito, materiales metálicos o materiales de silicio, siendo estos últimos los más comunes. Por ejemplo, en las pilas alcalinas y las de zinc-carbono, el ánodo está compuesto principalmente de zinc metálico, mientras que el dióxido de manganeso actúa como cátodo.
Actualmente, los electrolitos utilizados son principalmente líquidos (p. ej., hexafluorofosfato de litio) y sólidos (p. ej., óxidos, sulfuros, polímeros, etc.). Los primeros ofrecen una mayor conductividad iónica, mientras que los segundos proporcionan un rendimiento de seguridad superior. Los separadores de las baterías, generalmente fabricados con polietileno (PE) o polipropileno (PP), se pueden clasificar como membranas de PE o PP de una sola capa, o como membranas de PP/PE de tres capas. Los materiales de la carcasa suelen estar compuestos de metales o materiales compuestos.
Peligros de las baterías usadas
Las baterías usadas no recicladas representan importantes riesgos ambientales y para la salud. Los metales pesados y las sustancias tóxicas presentes en el lixiviado de las baterías pueden contaminar el suelo y las vías fluviales, alterando el ecosistema natural. Estos contaminantes pueden acumularse gradualmente en la tierra y los cultivos, llegando incluso a ingresar al cuerpo humano y suponiendo una amenaza potencial para la salud. También se han estudiado extensamente los contaminantes emergentes en las baterías, como las nanoestructuras metálicas, los materiales a base de carbono y los líquidos iónicos. Si bien estos materiales pueden mejorar el rendimiento de las baterías, también pueden causar graves daños ambientales. Por ejemplo, las nanoestructuras metálicas pueden mejorar la capacidad de almacenamiento y la eficiencia energética, pero tienden a agregarse, lo que conlleva una degradación del rendimiento. Los materiales a base de carbono, como el grafeno y los nanotubos de carbono, pueden tener efectos tóxicos en los ecosistemas acuáticos. Los líquidos iónicos pueden acumularse en el suelo y el agua, produciendo efectos citotóxicos en los microorganismos.
Además, debido a la insuficiente investigación ecotoxicológica, las limitadas tecnologías de reciclaje y las lagunas regulatorias, los riesgos ambientales asociados con los nuevos materiales para baterías requieren mayor atención.
El descubrimiento de materiales basados en grafeno (MFG) ha suscitado preocupación por su impacto ecológico, en particular por sus efectos tóxicos en los organismos acuáticos. Diversos estudios han demostrado que los MFG son tóxicos para bacterias, algas, invertebrados y peces, afectando negativamente su supervivencia, crecimiento y reproducción. Por ejemplo, el óxido de grafeno (GO) puede inhibir el crecimiento de algas e inducir estrés oxidativo, lo que provoca daños celulares. La estabilidad y la movilidad de los MFG en ambientes acuáticos están influenciadas tanto por sus propiedades fisicoquímicas intrínsecas como por los parámetros fisicoquímicos del agua. Su comportamiento en el agua, como la adsorción y la agregación, puede alterar su distribución y su destino final en los sistemas acuáticos.
Actualmente, las directrices de seguridad ambiental para los materiales filtrantes de vidrio son incompletas y carecen de métodos de ensayo estandarizados. Por lo tanto, se requiere más investigación para determinar sus concentraciones ambientales reales y sus efectos a largo plazo, con el fin de establecer directrices de seguridad y estrategias de gestión científicamente sólidas.
Soluciones para la gestión de baterías usadas
Los principales métodos de eliminación de baterías usadas incluyen la incineración, el vertido y el reciclaje [16]. Susana Xará et al. evaluaron el ciclo de vida completo de las baterías, desde su eliminación por el consumidor hasta su tratamiento final o incorporación al medio ambiente, mediante el análisis del ciclo de vida (ACV). El estudio reveló que el vertido tiene el mayor impacto en términos de ocupación del suelo y contaminación a largo plazo de las aguas subterráneas, mientras que la incineración afecta principalmente a las emisiones atmosféricas y al uso de recursos. En cambio, el reciclaje ofrece importantes ventajas para la protección del medio ambiente y la recuperación de recursos. Los procesos de reciclaje generalmente comprenden el pretratamiento, la lixiviación y extracción de metales y la preparación del producto [17] (véase la figura 2). El pretratamiento incluye la descarga, el desmontaje manual o la separación mecánica, y la separación de los materiales del cátodo de la lámina de aluminio. Los métodos comunes incluyen la disolución con disolventes, la separación asistida por ultrasonidos, el tratamiento térmico y la separación mecánica.
Actualmente, los procesos de lixiviación y extracción de metales se basan principalmente en la pirometalurgia y la hidrometalurgia tradicionales, así como en técnicas emergentes de biometalurgia (las diferencias específicas se resumen en la Tabla). La pirometalurgia consiste en el tratamiento a alta temperatura de baterías usadas para enriquecer y precipitar los elementos metálicos. El proceso comienza con el desmantelamiento y trituración de las baterías para eliminar los componentes no metálicos y obtener los materiales de electrodo. Posteriormente, estos materiales se someten a un proceso de calcinación, que incluye etapas de reducción y oxidación, para transformarlos en formas más manejables. A continuación, se combina el tratamiento a alta temperatura con fundentes y agentes reductores para producir aleaciones o elementos metálicos, que finalmente se recuperan mediante métodos de separación física y química.
Si bien la pirometalurgia es muy eficaz para baterías usadas complejas, como las de plomo-ácido, níquel-cadmio y zinc-manganeso, consume mucha energía y contamina el medio ambiente. Componentes como el plomo, el cadmio, el zinc y el mercurio pueden volatilizarse o precipitarse a 300-400 °C, lo que exige una manipulación cuidadosa. Por consiguiente, la pirometalurgia sigue siendo el método principal para recuperar estos metales.
La hidrometalurgia emplea disolventes químicos para disolver los elementos metálicos de las baterías usadas, seguido de su separación y extracción mediante técnicas químicas y físicas. El proceso comienza con el desmantelamiento y trituración de la batería para obtener los materiales de los electrodos, que posteriormente se lixivian con soluciones ácidas o alcalinas para disolver los elementos metálicos. Las soluciones resultantes se purifican mediante intercambio iónico, extracción con disolventes u otros métodos para eliminar las impurezas. Finalmente, los metales pesados se recuperan de las aguas residuales mediante precipitación y electrólisis. La hidrometalurgia es especialmente adecuada para la recuperación de metales de alta pureza de baterías usadas de níquel-metal hidruro y de iones de litio, en particular para metales valiosos como el cobalto y el níquel. Sin embargo, este método genera aguas residuales con alto contenido de sales que requieren tratamiento y pueden causar contaminación secundaria.
La biometalurgia emplea microorganismos y sus metabolitos para extraer eficientemente elementos metálicos de baterías usadas. El proceso incluye el desmantelamiento de las baterías dañadas para obtener materiales de electrodo, seguido de biolixiviación en condiciones adecuadas utilizando medios microbianos especializados para disolver eficazmente los metales. Las etapas de purificación posteriores emplean intercambio iónico y extracción con solventes, y finalmente los metales se recuperan mediante precipitación y electrólisis. La biometalurgia resulta especialmente valiosa para la recuperación de metales de alto valor como el níquel y el cobalto.
