Investigadores de la Universidad Tecnológica de Chalmers (Suecia) han desarrollado un nuevo método para reciclar los metales de las baterías usadas de los coches eléctricos. El sistema permite recuperar el 100% del aluminio y el 98% del litio de estos dispositivos. Al mismo tiempo, consigue minimizar la pérdida de otras materias primas valiosas, como el níquel, el cobalto y el manganeso. El proceso no requiere productos químicos caros ni nocivos porque los investigadores utilizan ácido oxálico, un ácido orgánico que se puede encontrar en el reino vegetal.

“Hasta ahora, nadie había conseguido encontrar las condiciones exactas para separar tanto litio con ácido oxálico y, a la vez, extraer todo el aluminio. Como todas las baterías contienen aluminio, tenemos que poder quitarlo sin perder los demás metales”, ha explicado al respecto Léa Rouquette, estudiante de doctorado del Departamento de Química e Ingeniería Química de Chalmers y una de las autoras del trabajo, que ha publicado la revista Separation and Purification Technology.

En el laboratorio de reciclaje de baterías de la universidad, Rouquette y la investigadora Martina Petranikova han mostrado cómo funciona el nuevo método. En el laboratorio disponen de celdas de baterías de coche gastadas y, en la vitrina de gases, de su contenido pulverizado. Se trata de un polvo negro finamente molido que se disuelve en un líquido transparente, el ácido oxálico.

Rouquette produce tanto el polvo como el líquido en algo que recuerda a una batidora de cocina. Aunque parece tan fácil como preparar café, el procedimiento exacto es un avance científico único del que no se conocen todos los detalles, como es fácil de suponer. Ajustando la temperatura, la concentración y el tiempo, los investigadores han dado con una nueva receta en la que desempeña un papel determinante el ácido oxálico, un ingrediente respetuoso con el medio ambiente que puede encontrarse en plantas como el ruibarbo y las espinacas.

“Necesitamos alternativas a los productos químicos inorgánicos. Uno de los mayores cuellos de botella de los procesos actuales es la eliminación de materiales residuales como el aluminio. El nuestro es un método innovador que puede ofrecer a la industria del reciclado nuevas alternativas y ayudar a resolver problemas que obstaculizan el desarrollo”, afirma Martina Petranikova, que es profesora asociada del Departamento de Química e Ingeniería Química de Chalmers.

Invertir el orden del proceso

El sistema de reciclaje de base acuosa se denomina comúnmente hidrometalurgia. En la hidrometalurgia tradicional, todos los metales de una batería de un coche eléctrico se disuelven en un ácido inorgánico. A continuación, se eliminan las impurezas, como el aluminio y el cobre. Por último, se recuperan por separado metales valiosos como el cobalto, el níquel, el manganeso y el litio.

Aunque la cantidad de aluminio y cobre residuales es pequeña, se necesitan varios pasos de purificación y cada estadio de este proceso puede causar pérdidas de litio. Con el nuevo método, los investigadores invierten el orden y recuperan primero el litio y el aluminio, de modo que pueden reducir el desperdicio de metales valiosos necesarios para fabricar nuevas baterías.

La última parte del proceso, en la que se filtra la mezcla negra, también recuerda a la preparación del café. Mientras que el aluminio y el litio acaban en el líquido, los demás metales se quedan en los sólidos. El siguiente paso del proceso consiste ya en separar el aluminio y el litio.

“Como los metales tienen propiedades muy diferentes, no creemos que sea difícil separarlos. Nuestro método es una nueva vía prometedora para el reciclado de baterías, una vía que sin duda merece una mayor exploración”, afirma Rouquette. A lo que Petranikova añade: “Como el sistema puede ampliarse, esperamos que pueda utilizarse en la industria en los próximos años”.

El grupo de investigación de Petranikova lleva muchos años investigando el reciclaje de los metales de las baterías de iones de litio. El equipo participa en varios proyectos de colaboración con empresas para desarrollar el reciclaje de baterías de coches eléctricos y es socio de importantes iniciativas de investigación y desarrollo, entre ellas el proyecto Nybat de Volvo Cars y Northvolt.

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Un equipo de investigadores de la Universidad de Rice ha desarrollado un dispositivo que puede convertir la luz solar en hidrógeno con una eficiencia sin precedentes. La nueva tecnología se presenta en un equipo único, duradero, rentable y escalable, explica en su web el centro con sede en Houston (Texas).

Por afán de precisión, diremos que los ingenieros de Rice han combinado semiconductores de perovskita de haluro de última generación con electrocatalizadores para obtener un dispositivo que abre nuevas perspectivas para la generación de energía limpia a partir de electricidad extraída de la luz solar.

La investigación dio comienzo con la construcción, en el laboratorio del ingeniero químico y biomolecular Aditya Mohite, de un fotorreactor donde una barrera anticorrosión aislaba el semiconductor del agua sin impedir la transferencia de electrones. Según el trabajo publicado ahora en Nature Communications, el sistema logró una eficiencia de conversión de energía solar a hidrógeno del 20,8%.

“El uso de la luz solar como fuente de energía para fabricar productos químicos es uno de los mayores obstáculos para una economía de energía limpia”, ha indicado al respecto Austin Fehr, estudiante de doctorado en ingeniería química y biomolecular y uno de los autores principales del estudio. “Nuestro objetivo es construir plataformas económicamente viables que puedan generar combustibles derivados de la energía solar. Aquí, diseñamos un sistema que absorbe la luz y completa el proceso electroquímico de división del agua en su superficie”.

Para conseguirlo se recurre a lo que se conoce como celda fotoelectroquímica porque la absorción de la luz, su conversión en electricidad y el uso de la electricidad para impulsar una reacción química ocurren en el mismo equipo. Hasta ahora, el empleo de tecnología fotoelectroquímica para producir hidrógeno verde se veía obstaculizado por la baja eficiencia y el alto coste de los semiconductores.

“Todos los equipos de este tipo producen hidrógeno verde usando solo luz solar y agua, pero el nuestro es excepcional porque tiene una eficiencia récord y utiliza un semiconductor que es muy barato”, ha especificado Fehr.

El laboratorio de Mohite y sus colaboradores crearon el dispositivo convirtiendo su celda solar en un reactor que podía usar la energía obtenida para dividir el agua en oxígeno e hidrógeno. El desafío que tuvieron que superar fue que las perovskitas de haluro son extremadamente inestables en agua y los recubrimientos usados para aislar los semiconductores terminaron interrumpiendo su función o dañándolos.

Prueba y error

“Durante los últimos dos años, hemos estado probando diferentes materiales y técnicas”, ha señalado Michael Wong, ingeniero químico de Rice y coautor del estudio. Después de largos ensayos que no dieron el resultado deseado, los investigadores finalmente encontraron lo que andaban buscando.

“La idea clave fue que se necesitaban dos capas en la barrera, una para bloquear el agua y otra para hacer un buen contacto eléctrico entre las capas de perovskita y la capa protectora”, explicó Fehr. “Nuestros resultados son la eficiencia más alta para celdas fotoelectroquímicas sin concentración solar, y la mejor en general para aquellas que usan semiconductores de perovskita de haluro”.

“Es la primera vez que se logra en un campo que históricamente ha estado dominado por semiconductores prohibitivamente caros, y puede abrir un camino hacia la viabilidad comercial de este tipo de dispositivos”, ha proseguido.

Los investigadores demostraron que su diseño de barrera funcionaba para diferentes reacciones y con diferentes semiconductores, lo que lo hace aplicable en muchos sistemas. “Esperamos que sirvan como una plataforma para conducir una amplia gama de electrones a reacciones de formación de combustible empleando abundantes materias primas con solo luz solar como fuente de energía”, ha afirmado Mohite.

“Con más mejoras en la estabilidad y la escala, esta tecnología podría expandir la economía del hidrógeno y cambiar la forma en que los humanos son capaces de sustituir el combustible fósil por combustible solar”, concluye Fehr.

VC

Después de cuatro años de diseño, modelado y simulación, un equipo de 25 personas formadas por ingenieros e investigadores del CNRS (Centro Nacional francés para la Investigación Científica), Stellantis y la multinacional Saft han presentado un prototipo innovador de batería de almacenamiento de energía que integra las funciones de inversor y cargador. Con esta solución se da lugar a una batería más eficiente y que mejora la autonomía del vehículo eléctrico, así como más fiable y menos costosa. También libera espacio en el vehículo.

El proyecto de investigación en colaboración se conoce como Intelligent Battery Integrated System (IBIS, Intelligent Battery Integrated System). Un demostrador, operativo desde el verano de 2022, es objeto de numerosas patentes y supone una ruptura importante con los sistemas de conversión de energía eléctrica utilizados actualmente.

El proyecto ha permitido validar muchos conceptos técnicos nuevos y dominar su control y funcionamiento como preparación para aplicaciones de energía para automoción o estacionaria, informa en un comunicado el consorcio Stellantis, fruto de la integración del grupo francés PSA y el italiano FCA.

Por lo que respecta a los otros dos actores del acuerdo, el Centro Nacional para la Investigación Científica es considerado la institución de investigación más importante de Francia. Saft, filial del grupo TotalEnergies, es una compañía multinacional que diseña, desarrolla y fabrica baterías utilizadas en el transporte, la industria y la defensa. Con sede en Francia, tiene presencia internacional.

En el campo de la electromovilidad, el proyecto IBIS promete un cambio de paradigma en el diseño de unidades motrices eléctricas. En el prototipo recién desarrollado, las tarjetas electrónicas de conversión que realizan las funciones de inversor y cargador se montan lo más cerca posible de las celdas de la batería de iones de litio. Un sofisticado sistema de control permite producir corriente alterna para un motor eléctrico directamente desde la batería.

Los socios de IBIS se centran ahora en construir un vehículo prototipo perfectamente funcional que se probará en los bancos de desarrollo y pistas de pruebas de Stellantis, así como en carreteras abiertas. El equipo del proyecto pretende que esta tecnología esté disponible en los vehículos del fabricante antes de que finalice esta década.

“Nuestro viaje hacia la electrificación está impulsado por la innovación y la excelencia en la investigación, que utiliza la última tecnología para satisfacer las necesidades reales de nuestros clientes de vehículos eléctricos, como la autonomía, la habitabilidad y la asequibilidad, al tiempo que reduce la huella de carbono mediante la mejora de la eficiencia”, ha indicado al respecto Ned Curic, responsable de Ingeniería y Tecnología de Stellantis. “Este revolucionario sistema de batería podría suponer un paso decisivo en el compromiso de la compañía de ofrecer tecnología útil, fácil y avanzada para todos”.

Beneficios añadidos

Al desarrollar una tecnología eficiente y competitiva en costos, el proyecto IBIS brinda además la oportunidad de reducir el peso del coche y el costo de la unidad motriz y de la propia fabricación del vehículo eléctrico, al tiempo que ofrece un gran número de nuevas prestaciones.

En el campo del almacenamiento estacionario de energía y la integración de energías renovables, la firma Saft podrá ofrecer instalaciones llave en mano con mayor disponibilidad de las baterías, un uso optimizado de la energía instalada y un tamaño más reducido. La arquitectura intrínseca de la batería IBIS simplificará el mantenimiento y la actualización de la instalación y reducirá la huella de carbono del emplazamiento.

La combinación de soluciones de baterías para vehículos eléctricos y almacenamiento estacionario aumenta la competitividad de ambas ofertas gracias a los efectos de volumen en mercados en crecimiento, se lee también en el comunicado de Stellantis.

“Saft ha estado en el centro de la innovación en baterías industriales durante más de 100 años. Como pioneros en este campo de vanguardia, nuestros investigadores pueden llevar a cabo programas de investigación, como IBIS, a largo plazo. Estamos encantados de colaborar con otros socios reconocidos en este campo de especialización y concretamente en este proyecto innovador destinado a revolucionar la movilidad eléctrica y el almacenamiento de energía estacionaria”, ha comentado por su parte Cedric Duclos, director ejecutivo de esta empresa.

El proyecto IBIS está financiado por el Future Investment Plan, gestionado por ADEME (Environment and Energy Management Agency, la agencia francesa para la transición ecológica) y coordinado por Stellantis. Reúne a los socios industriales Saft, E2CAD y Sherpa Engineering, así como al Institut Lafayette y a tres entidades de investigación del CNRS: el Laboratorio de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de París (Geeps), el Laboratorio de Sistemas y Aplicaciones de Tecnologías de la Información y la Energía (Satie) y el Laboratorio de Electroquímica y Fisicoquímica de Materiales e Interfaces (Lepmi).

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Dirigir el consumo eléctrico hacia un futuro 100% renovable choca contra un gran muro: cómo hacer que la energía esté disponible cuando se la necesita. El calor del sol o las rachas de viento no aparecen a voluntad humana, y a menudo los picos de demanda energética no coinciden con los de producción de renovables, lo que provoca que haya que compensar con fuentes contaminantes. Es decir, hay que encender las centrales de fuentes no renovables para ir compensando la demanda.

¿Baterías gigantes? Se han propuesto modelos basados en el litio pero, además de no ser sostenibles, son demasiado caras. Mientras el gas sea más barato, seguirá siendo una opción predominante en la producción eléctrica. Conseguir que las renovables ganen la batalla económica tanto cuando vuelcan directamente su producción a la red eléctrica como cuando su energía se almacena para utilizarse en otro momento se ha convertido en un reto científico de primer nivel. Equipos de todo el mundo buscan soluciones innovadoras que a menudo se salen de lo preconcebido. Es lo que han hecho los ingenieros del Massachusets Institute of Technology (MIT) al proponer meter “el sol en una caja”.

Su diseño conceptual, publicado en la revista Energy and Environmental Science, usa la energía del sol o el viento excedente en momentos del alta producción y baja demanda para calentar un tanque gigante de silicio hasta los 2.000 grados. Este sería el tanque “frío” del sistema de almacenamiento: cuando el sol baje o el viento repliegue y sea necesaria más energía de la que las centrales limpias pueden volcar al sistema en ese momento, la estrategia es pasar el silicio a otro tanque y calentarlo 400 grados más. A esa temperatura, este material emite una luz tan intensa que puede ser utilizada por placas fotovoltaicas especiales para producir energía como si del sol se tratara.

“Supongamos que todo el mundo está volviendo a casa después del trabajo y encienden el aire acondicionado, porque hace calor”, explica Asegun Henry, líder del equipo de investigadores. “En ese momento, la energía fotovoltaica no va a ofrecer demasiado, por lo que tendrías que haber almacenado parte de la energía producida antes, como cuando el sol estaba al mediodía. Ese exceso de electricidad podría enviarse al sistema de almacenamiento que hemos inventado aquí”. Según sus cálculos, una planta del tamaño de la imagen podría abastecer a 100.000 viviendas.

El silicio es el material más abundante de la corteza terrestre, por lo que por ese lado la idea tiene vía libre para convertirse en una opción de bajo coste. El problema de los ingenieros es desarrollar un sistema capaz de trabajar con silicio fundido a 2.000 grados. Entre otras cosas, necesitan una bomba para mover el material entre los tanques con la tolerancia al calor más alta jamás registrada, y es lo que consiguieron. Su desarrollo entró en el Libro Guinness de los Récords.

Con la bomba a punto, el reto ahora es conseguir una caja para el sol. Ahora mismo no existen tanques que puedan albergar silicio a semejante temperatura durante un tiempo indefinido. “El material que brilla en el interior está muy caliente, ardiente, pero la parte del tanque que se puede tocar desde el exterior debe estar a temperatura ambiente”, recuerda Henry. De momento, han experimentado con un recipiente a pequeña escala de grafito que aguantó el silicio a 2.000 grados durante una hora.

Baterías como montañas y grúas gigantes: en busca de la tecnología para almacenar renovables

En este momento la mejor opción para guardar para más tarde la energía renovable excedente son las centrales hidroeléctricas reversibles. Se trata de represas que además de poder convertir la caída de agua en electricidad como las hidroeléctricas convencionales, constan de un sistema de bombeo que la sube a un tanque o embalse situado a mucha más altura cuando hay energía sobrante.

Este sistema adolece de un problema evidente: está muy limitado por la orografía. Además del caudal de agua suficiente como para generar electricidad de forma constante, es necesario que tenga en su curso un punto muy elevado para construir el embalse superior. La construcción del sistema por el interior de una montaña también encarece el costo de ponerlo en marcha.

La solución que propone el equipo del MIT salvaría esas barreras. Su sistema “es geográficamente ilimitado, y es más barato que la energía hidroeléctrica bombeada, lo que es muy emocionante”, afirma Henry. “En teoría, esta es la pieza clave para permitir que la energía renovable alimente toda la red”.

El de los ingenieros del instituto tecnológico estadounidense no es el único plan innovador para almacenar energía renovable que se ha propuesto. La empresa suiza Energy Vault tiene una idea más simple pero, aseguran, casi igual de efectiva: una grúa gigante que apila bloques de hormigón.

Su sistema es sencillo pero ingenioso: una grúa apila bloques de hormigón cuando las centrales de energías renovables producen más electricidad de la que necesita el sistema. Cuando falta, simplemente los toma y los deja caer, generando electricidad con la energía cinética que producen los bloques en la bajada. La empresa ya tiene un modelo a pequeña escala funcionando y varios pedidos. Asegura que la efectividad de su invento es del 85% (una batería de litio ronda el 90%).

C.C.