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A battery that has reached the end of its life is, for the most part, a problem to be shipped away. Researchers at Worcester Polytechnic Institute want it to become a source of parts for a new battery. In a study published in Advanced Energy Materials, a team led by professor Yan Wang converted mixed battery waste into upcycled materials for both the cathode and the anode, and built pouch cells (flat, sealed batteries) from them that outlasted cells made with commercial materials.
Una batería que ha llegado al final de su vida útil es, en su mayor parte, un problema que hay que enviar fuera. Los investigadores del Worcester Polytechnic Institute quieren convertirla en una fuente de componentes para una nueva batería. En un estudio publicado en Advanced Energy Materials, un equipo dirigido por el profesor Yan Wang transformó residuos mixtos de baterías en materiales revalorizados tanto para el cátodo como para el ánodo, y con ellos fabricó celdas tipo pouch (baterías planas y selladas) que duraron más que las celdas fabricadas con materiales comerciales.
The pressure behind the work is easy to state. As lithium-ion battery use grows, so does the demand for critical materials and the volume of discarded batteries. Many current recycling methods focus on recovering the cathode, and mixed battery waste is difficult to process into products of high value. The team therefore set out to upgrade both the cathode and the graphite recovered from that waste, rather than stopping at raw materials.
La presión que motiva este trabajo es fácil de explicar. A medida que crece el uso de las baterías de iones de litio, también aumentan la demanda de materiales críticos y el volumen de baterías desechadas. Muchos métodos de reciclaje actuales se centran en recuperar el cátodo, y los residuos mixtos de baterías son difíciles de transformar en productos de alto valor. Por ello, el equipo se propuso mejorar tanto el cátodo como el grafito recuperados de esos residuos, en lugar de limitarse a las materias primas.
The process works in two steps. Mixed, low-nickel cathode material is converted into a high-performance cathode called NMC622, and recovered graphite is purified and modified to become battery-grade anode material. Tests found improved lithium-ion transport and cycling stability in the cathode, and better interfacial kinetics and durability in the graphite anode. When the team assembled full pouch cells using only these upcycled parts, the cells showed fewer side reactions and approximately twice the cycle life of cells built with commercial materials, retaining 70% of their capacity after 2,590 cycles.
El proceso consta de dos etapas. El material de cátodo mixto y de bajo contenido en níquel se convierte en un cátodo de alto rendimiento llamado NMC622, y el grafito recuperado se purifica y modifica hasta convertirse en material de ánodo de calidad para baterías. Las pruebas mostraron una mejor circulación de iones de litio y una mayor estabilidad en los ciclos en el cátodo, así como una cinética interfacial y una durabilidad superiores en el ánodo de grafito. Cuando el equipo ensambló celdas tipo pouch completas utilizando solo estos componentes revalorizados, las celdas presentaron menos reacciones secundarias y aproximadamente el doble de vida útil en ciclos que las fabricadas con materiales comerciales, conservando el 70 % de su capacidad tras 2.590 ciclos.
The team also estimated what the route could mean outside the laboratory. According to their analyses, it could use more than 95% of waste materials, increase profitability by 22.9%, and reduce greenhouse gas emissions by 27% and energy consumption by 29.4% compared with the reference recycling route. These are estimates from the researchers' own analyses, not measurements from an operating plant, and the study does not give costs or a timetable for industrial use.
El equipo también estimó lo que la ruta podría suponer fuera del laboratorio. Según sus análisis, podría aprovechar más del 95 % de los materiales de desecho, aumentar la rentabilidad un 22,9 % y reducir las emisiones de gases de efecto invernadero un 27 % y el consumo energético un 29,4 % frente a la ruta de reciclaje de referencia. Se trata de estimaciones basadas en los propios análisis de los investigadores, no de mediciones en una planta en funcionamiento, y el estudio no ofrece costes ni un calendario para su uso industrial.
For recyclers, the gain would be turning waste that is hard to sell into components that battery makers can use directly. For battery manufacturers, it points to a more circular supply, with fewer resources and less energy needed to produce new materials. The authors describe a path beyond recovering raw materials toward making high-performance batteries from complex waste. Whether that path reaches factories, and how quickly, depends on tests beyond the laboratory that the study does not yet report.
Para los recicladores, la ventaja sería convertir residuos difíciles de vender en componentes que los fabricantes de baterías pueden utilizar directamente. Para los fabricantes de baterías, apunta a un suministro más circular, con menos recursos y menos energía necesarios para producir nuevos materiales. Los autores describen un camino que va más allá de la recuperación de materias primas y que apunta a fabricar baterías de alto rendimiento a partir de residuos complejos. Si ese camino llegará a las fábricas, y con qué rapidez, dependerá de pruebas más allá del laboratorio que el estudio todavía no recoge.