Revolución verde: grafito reciclado para la energía del futuro

El bum de los vehículos eléctricos promete un futuro sin humos, aunque nos enfrenta al reto colosal de qué hacer con la enorme cantidad de baterías de litio que van a quedar en desuso. En este escenario, la economía circular permite recuperar el grafito proveniente de estas baterías para sintetizar materiales grafénicos reciclados (r-GRMs), otorgándoles una segunda vida estratégica. Reciclar estos componentes ya no es solo una opción ecológica; se convierte en un puente imprescindible para que la transición hacia una energía limpia sea 100% sostenible.

Los departamentos de Energía y Tecnología del CIEMAT, integrantes del proyecto estatal coordinado SOLENGRAF (“Materiales Grafénicos Procedentes de Residuos para Aplicaciones Energéticas Renovables”), materializan el convertir el grafito de desecho en materiales útiles y utilizarlos en dispositivos de energía renovable. Su principal estrategia se basa en aprovechar el grafito, un residuo de alto valor recuperado de los ánodos de las baterías de vehículos eléctricos desechados.

Proceso de obtención

El Centro Nacional de Investigaciones Metalúrgicas (CENIM-CSIC) se encarga de desmantelar las baterías, separar los módulos, extraer las celdas y triturarlas mediante procesos mecánicos. De la mezcla de ánodo y cátodo, o en algunas ocasiones por separado, se recupera grafito mediante métodos pirometalúrgicos e hidrometalúrgicos. A partir de los diferentes grafitos recuperados, el Dr. Rodolfo Fernández y Fernando García, ambos del departamento de Tecnología del CIEMAT, sintetizan los correspondientes óxidos de grafito (GrO), que son los precursores de los materiales basados en grafeno, es decir, óxido de grafeno (GO) y óxido de grafeno reducido (rGO). Los óxidos son obtenidos mediante la aplicación de dos métodos bien establecidos, el método Hummers y el método Tour, con el fin de producir diferentes precursores que rindan materiales basados en grafeno con distintas características, con el objetivo de comparar y evaluar su idoneidad para su utilización en diferentes aplicaciones.

Dr. Rodolfo Fernández, durante el proceso de obtención de los óxidos de grafito, a partir de los grafitos recuperados.

Un salto en sostenibilidad

La teoría se convierte en realidad en los laboratorios del CIEMAT. El grafeno recuperado ha comenzado a usarse con éxito en la fabricación del contraelectrodo, pieza crítica de las células sensibilizadas por colorante. Este componente se encarga de recolectar los electrones, funciona como un catalizador ultraeficiente y estabiliza el colorante (electrolito). Alejandro Arzoz, alumno de grado de la Universidad de Ciencias Ambientales de la universidad de Alcalá de Henares, bajo la tutela de la Dra. Belén Gómez-Mancebo (Dpto. Tecnología e IP2 del proyecto) y la Dra. Susana Mª Fernández (Dpto. Energía), ha logrado depositar con éxito óxidos de grafeno reciclados, haciendo uso de la electrodeposición, una técnica sumamente económica y fácilmente escalable a nivel industrial. Aunque el proceso aún se encuentra en fase de optimización, los primeros resultados son bastante prometedores. El equipo ha demostrado que, mediante esta técnica, es totalmente viable obtener capas de material grafénico reciclado con una resistencia de hoja competitiva. El próximo gran reto de la investigación será pulir el ámbito de la transparencia del material, factor clave para maximizar la entrada de luz en el dispositivo. Con ello, no solo se podría abaratar la energía solar, sino que se daría un salto gigante en sostenibilidad, ya que se busca reemplazar el platino con un residuo de batería.

El análisis del residuo al recurso

Para demostrar que la valorización del grafito recuperado constituye una solución ambiental y económicamente viable, el proyecto incorpora un Análisis de Sostenibilidad de Ciclo de Vida, que evalúa de forma integral los impactos ambientales, el consumo de recursos y la viabilidad económica de los materiales r-GRMs frente a sus equivalentes obtenidos a partir de materias primas vírgenes. Sergio Ruiz-Macías, ayudante de investigación, y el Dr. Daniel Garrain, responsable de la unidad de Análisis de Sistemas Energéticos de CIEMAT, serán los encargados de realizar esta tarea.

Este enfoque permite cuantificar los beneficios de transformar un residuo complejo, como la masa negra o ánodo procedentes de baterías de ion litio fuera de uso, en una materia prima de alto valor añadido para aplicaciones energéticas avanzadas. La reutilización del grafito reduce la necesidad de extraer materias primas vírgenes, disminuye la generación de residuos, favorece la reducción de impactos ambientales asociados a la minería y fortalece la autonomía europea en el suministro de materiales estratégicos. Al mismo tiempo, la creación de nuevas cadenas de valor basadas en recursos secundarios impulsa la competitividad de la industria europea, genera oportunidades de innovación y contribuye al desarrollo de una economía más resiliente y eficiente en el uso de los recursos.

Por tanto, la investigación desarrollada en SOLENGRAF se alinea plenamente con los objetivos del Pacto Verde Europeo, al promover tecnologías de bajas emisiones y una gestión más sostenible de los recursos. Asimismo, responde a los principios del Plan de Acción para la Economía Circular, al convertir residuos en nuevos materiales de alto valor tecnológico, y contribuye a los objetivos del Critical Raw Materials Act, al favorecer la recuperación y reutilización de materias primas críticas presentes en las baterías, reduciendo la dependencia europea de materias primas importadas y reforzando la seguridad del suministro para la transición energética.

Agradecimientos:

Ministerio de Ciencia e Innovación. Ayuda PID2023-146988OB-C21 financiada por MCIN/AEI/ 10.13039/501100011033 y por la “Unión Europea NextGenerationEU/PRTR.