Un aglutinante polimérico sin flúor facilita la recuperación de materiales de baterías de ion-litio mediante agua
La composición de los electrodos condiciona tanto el rendimiento de las baterías de ion-litio como las operaciones necesarias para recuperar sus materiales. Uno de los componentes que interviene en su fabricación es el aglutinante, un polímero que mantiene unidos los materiales activos y favorece su adhesión a los colectores metálicos. Sin embargo, los aglutinantes convencionales basados en fluoruro de polivinilideno (PVDF) requieren habitualmente disolventes como la N-metil-2-pirrolidona (NMP), cuyo uso añade dificultades ambientales y de procesamiento.
Una investigación publicada en Nature Communications presenta una alternativa sin flúor, basada en una combinación de ácido poliacrílico y carboximetilcelulosa reticulados con ácido cítrico. La formulación permite procesar los electrodos con agua y, además, simplifica la separación de sus componentes durante el reciclaje. Los investigadores demostraron que los materiales recuperados pueden regenerarse y emplearse en la fabricación de nuevas baterías.
Una formulación polimérica procesable en agua
El nuevo aglutinante combina ácido poliacrílico y carboximetilcelulosa, dos polímeros unidos mediante reticulación con ácido cítrico. Esta estructura establece interacciones de hidrógeno, enlaces covalentes e interacciones iónicas entre las cadenas poliméricas, las partículas de material activo y los colectores de corriente.
La combinación proporciona adhesión y estabilidad mecánica, térmica y electroquímica, aspectos necesarios para mantener la integridad de los electrodos durante el funcionamiento de la batería. A diferencia de los sistemas convencionales basados en PVDF, la nueva formulación no contiene flúor y permite utilizar agua durante el procesamiento.
Los investigadores evaluaron su aplicación en distintos materiales de electrodos, tanto positivos como negativos. En el caso de los electrodos positivos de fosfato de hierro y litio (LFP), las celdas fabricadas con el nuevo aglutinante presentaron una capacidad inicial comparable a la de las elaboradas con PVDF y una mayor estabilidad durante los ciclos de carga y descarga.
La disolución del aglutinante facilita la separación de los electrodos
Una de las principales aportaciones del desarrollo se encuentra en su aplicación al reciclaje. En las baterías convencionales, la presencia de aglutinantes fluorados dificulta la separación de los recubrimientos activos respecto de las láminas metálicas que actúan como colectores de corriente. Su eliminación suele requerir tratamientos químicos o térmicos que añaden etapas al proceso y pueden generar residuos fluorados.
En el sistema desarrollado, los investigadores desmontaron las celdas y sumergieron los electrodos en agua. La disolución del aglutinante permitió separar los recubrimientos de material activo de las láminas metálicas sin dejar residuos fluorados. De este modo, se facilita la recuperación diferenciada de los componentes de los electrodos.
El procedimiento se aplicó tanto a electrodos positivos como negativos procedentes de baterías usadas. Los materiales recuperados se sometieron posteriormente a procesos de reciclaje directo para regenerar sus propiedades y permitir su reincorporación a nuevas celdas.
Los materiales recuperados mantienen el rendimiento electroquímico
El estudio demuestra que los materiales regenerados pueden utilizarse para fabricar nuevas baterías sin que su rendimiento quede por debajo del obtenido con materiales prístinos. Este resultado respalda la posibilidad de integrar la recuperación de los componentes activos en un circuito de fabricación y reciclaje más circular.
La investigación también incorpora un análisis del ciclo de vida que compara el sistema desarrollado con el reciclaje de baterías fabricadas con aglutinantes convencionales de PVDF. Según sus resultados, la nueva estrategia permite reducir de forma significativa el consumo energético y las emisiones asociados al proceso.
Estas ventajas se relacionan tanto con la eliminación de los compuestos fluorados como con la simplificación de las operaciones necesarias para separar y recuperar los materiales de los electrodos.
Un avance que todavía requiere ampliar su desarrollo
La formulación propuesta ofrece una vía para abordar conjuntamente dos etapas de la cadena de valor de las baterías: su fabricación y su reciclaje. La posibilidad de utilizar agua en el procesamiento y facilitar la recuperación directa de los materiales activos puede reducir la complejidad de los tratamientos al final de la vida útil.
No obstante, los resultados corresponden a una investigación experimental y todavía es necesario avanzar en la optimización de la formulación para distintas químicas de baterías y en el aumento de la producción del aglutinante. Los investigadores plantean continuar su desarrollo con vistas a una futura aplicación industrial.
El trabajo muestra así que el diseño de los componentes empleados en la fabricación de las baterías puede influir directamente en su reciclabilidad. Incorporar desde el origen materiales que faciliten su separación y recuperación constituye una estrategia para mejorar la circularidad de estos sistemas de almacenamiento.
