Nuevos avances en el reciclaje de baterías de iones de litio

La demanda global de baterías de iones de litio está creciendo exponencialmente y se acercan puntos de inflexión críticos, ya que la demanda podría llegar a superar las reservas existentes de algunos componentes esenciales y materias primas de las baterías.

Se espera que el mercado global del coche eléctrico, alimentado por baterías de iones de litio, alcance los 858 000 millones de dólares en 2027. Sin embargo, se cree que solo se recicla el 5 % de las baterías de iones de litio en todo el mundo. Tradicionalmente, el reciclaje de baterías de iones de litio se ha visto limitado por la volatilidad del precio de las materias primas, la falta de plantas de reciclaje y la carencia de normativas, pero los avances en los métodos de reciclaje, el elevado potencial de crecimiento y la disponibilidad de una cantidad finita de metales raros han convertido el reciclaje en una opción más atractiva en un mercado que, según las proyecciones, podría llegar a 13 000 millones de dólares en 2030.

Tecnologías de reciclaje actuales

Hoy en día, existen tres tipos principales de metodologías de reciclaje de baterías (figura 1), entre las que alternativa principal es una combinación de hidrometalurgia y pirometalurgia. La investigación y las publicaciones de patentes sobre hidrometalurgia y pirometalurgia han crecido exponencialmente por sus ventajas en términos de coste y complejidad (figura 2). La hidrometalurgia usa soluciones (principalmente acuosas) para extraer y separar los metales de los recursos de las baterías. La pirometalurgia usa el calor para convertir los óxidos metálicos empleados en los materiales de las baterías en metales o compuestos metálicos. El reciclaje directo es la eliminación del material del cátodo para su reutilización o reacondicionamiento.

Por qué es preferible el reciclaje directo

La extracción directa del material del cátodo para su reutilización o reacondicionamiento es la solución ideal porque permite a los recicladores mantener intactas las estructuras de cristal con una cantidad menor de energía y reactivos y con unos costes fijos para las instalaciones. Sin embargo, los costes de mano de obra son más altos y el umbral para lograr unas buenas condiciones de reciclado de las baterías es más elevado. Hasta hace poco, los problemas que más lastraban el campo del reciclaje de las baterías de iones de litio eran la falta de uniformidad en sus diseños y el gran esfuerzo requerido en las técnicas de hidrometalurgia y pirometalurgia para convertir las baterías en materias primas metálicas. Un artículo reciente daba a conocer un método que proporciona materiales catódicos funcionales que los métodos de reciclaje actuales no suministran.

Una nueva estrategia para el reciclaje directo:

Hace poco, Zheng Liang, Guangmin Zhou, Hui-Ming Cheng y varios colegas más dieron a conocer una técnica de este tipo en el Journal of the American Chemical Society. Se mezclaron yoduro de litio (LiI) e hidróxido de litio (LiOH) en una combinación eutéctica que se funde a una temperatura más baja que cada sal por separado, por debajo de 200 °C. Como resultado, la combinación pasa al estado líquido a temperaturas más accesibles.

Aunque la capacidad de las baterías fabricadas con el material reparado no se restauró por completo, se consiguió hacerlo con un proceso posterior de calentamiento de la mezcla eutéctica a 200 °C durante 3 horas y un nuevo calentamiento a 850 °C durante 2 horas. Sin embargo, al añadir a la mezcla eutéctica Co₂O₃ y MnO₂, el proceso de dos pasos resultante produjo NMC523 restaurado, cuyas características y cuya estructura cristalina son comparables a las de los materiales nuevos.

Esta estrategia ofrece una forma de recuperar la funcionalidad plena de los cátodos de las baterías de iones de litio utilizando menos energía y recursos que la producción inicial. Si se restaura por completo la funcionalidad de los materiales agotados con un coste menor, se pueden vender con un margen mucho mayor que los metales u óxidos metálicos producidos con técnicas más costosas.

Desafíos

No obstante, el método desarrollado por Liang et al. no está exento de problemas. El procedimiento requiere el desensamblaje y posterior reensamblaje de las baterías. La complejidad y la falta de uniformidad de los diseños de las baterías y las composiciones de los cátodos obstaculizan, en general, el reciclaje de las baterías. Aunque la pirometalurgia se puede usar para procesar muchos tipos diferentes de baterías, el reciclaje directo y los procedimientos hidrometalúrgicos requieren clasificar los distintos tipos de baterías y desensamblarlos de manera segura. La composición y el diseño de las baterías se deben especificar y codificar en las propias baterías para que el reciclaje directo sea viable. El desensamblaje sería más sencillo con diseños de baterías unificados, pero, dado el amplio abanico de aplicaciones de las baterías de iones de litio, eso no siempre es posible.

Una mirada al futuro

Se acerca un punto de inflexión crítico para las baterías de iones de litio, ya que la demanda podría superar el suministro de materiales esenciales. El reciclaje debe desempeñar un papel clave en la resolución de este problema. El ahorro de recursos, el impacto medioambiental y la rentabilidad serán los factores que más contribuyan a acelerar la innovación del futuro.

Aunque este estudio reciente no ofrece un método comercial para la regeneración y el reciclaje directo de las baterías de iones de litio, demuestra que esta práctica es técnicamente viable. Esta metodología difiere de otros métodos anteriores de reciclaje directo, ya que usa sistemas eutécticos en lugar de técnicas hidrotermales. Una técnica de reciclaje directo comercialmente viable aumentará la seguridad del suministro de los componentes de las baterías de iones de litio, contribuirá a su sostenibilidad como alternativa a los combustibles líquidos para el almacenamiento de energía y será un instrumento crucial para reducir las emisiones de CO₂ de origen humano y mitigar el cambio climático. Puede obtener más información sobre las nuevas tendencias en el reciclaje de baterías de iones de litio en este informe reciente.

La impresión 3D usa capas de materiales para crear objetos 3D y se utiliza en muchos sectores, como la fabricación de bienes de consumo, la patología forense y la biomedicina. Puede producir, entre otras cosas, medicamentos, prótesis de orejas y órganos artificiales. Un artículo científico reciente analiza la CAS Content Collection™ para ofrecer un resumen del uso de la impresión 3D en el campo de la biomedicina y subraya las tendencias de las tecnologías, los materiales y las innovaciones de la impresión 3D en la fabricación de tejidos y órganos, implantes y prótesis o productos farmacéuticos, entre otros.

Aunque todavía hay algunos obstáculos para la impresión 3D de tejidos y órganos, como la morbilidad del sitio donador y los rechazos de los implantes, los avances en las biotintas, el uso de medios de cultivo y la aplicación de las células madre están ayudando a superar estas limitaciones. Puede encontrar más información en nuestro artículo científico más reciente, que recoge el crecimiento del uso de la impresión 3D en el campo de la biomedicina.

La impresión 3D, también conocida como fabricación aditiva, está revolucionando la forma de crear objetos sólidos a partir de archivos digitales. Ya está al alcance de la población general y se está usando en una amplia gama de campos, como la biomedicina. Gracias a su capacidad de fabricar productos farmacéuticos, prótesis de pabellones auriculares e incluso órganos artificiales, el potencial de la impresión 3D en la biomedicina es ilimitado. En este informe detallado analizamos las tendencias más recientes y las interesantes innovaciones que se están produciendo en la tecnología y los materiales de la impresión 3D en el ámbito de la biomedicina, como la fabricación de tejidos y órganos, implantes y prótesis, etc. 

Tendencias e innovaciones de la impresión 3D en biomedicina

Estamos inmersos en una revolución de la impresión 3D. La tecnología de impresión 3D, que antes solo estaba al alcance las principales universidades dedicadas a la investigación y de empresas de la clasificación Fortune 500, se ha convertido en un fenómeno generalizado, y en 2021 se han vendido 2,2 millones de unidades de impresoras 3D. Se espera que en 2030 esta cifra alcance los 21,5 millones, lo que acercará al gran público esta tecnología de creación rápida de prototipos.

Se diría que todos los sectores clave, desde la industria aeroespacial a la construcción, utilizan la tecnología de impresión 3D para diseñar procesos de fabricación más rápidos y rentables. De todos los sectores que están usando la impresión 3D, la ingeniería biomédica presenta el mayor potencial para sus aplicaciones. En este artículo analizaremos el auge de la impresión 3D en el ámbito sanitario y la medicina.

Cómo empezó todo: la historia de la impresión 3D

Cuando el inventor japonés Hideo Kodama presentó en 1981 la primera patente de un “dispositivo de creación rápida de prototipos”, el concepto parecía estar condenado al fracaso desde el principio, ya que el Dr. Kodama dejó de financiar la patente el año siguiente. Con todo, la idea sirvió de catalizador para futuras innovaciones. En 1984, Charles Hall presentó una patente de un sistema de estereolitografía (SLA), una tecnología de impresión 3D que se ha usado con mucha frecuencia hasta la actualidad. En 1988 se comercializó la primera impresora 3D, basada en la innovadora tecnología SLA.

Pronto surgieron otras tecnologías clave de impresión 3D. A finales de la década de 1980, se habían presentado patentes para otros dos tipos de métodos de fabricación aditiva: el modelado por deposición fundida (FDM) y la fusión selectiva por láser (SLS). El FDM funciona con una técnica denominada extrusión, en la que una boquilla deposita el material fundido capa por capa para crear el producto 3D. La SLS funciona de otra manera: el proceso comienza con el vertido de capas de material en polvo sobre la plataforma de construcción y, a continuación, tiene lugar un proceso de solidificación rápida (o sinterización) de cada una de las capas del producto impreso en 3D. Posteriormente, aparecieron la impresión PolyJet (una versión modificada de la tecnología de impresión por inyección de tinta 2D) y la fotopolimerización en tanque.

El uso de estas tecnologías estaba inicialmente limitado a los titulares de las patentes. Ahora, con el vencimiento de dichas patentes y la invención del concepto de código abierto de RepRap, otras empresas pueden abrirse camino en este apasionante campo. Muchos de los avances más importantes han tenido lugar en el ámbito de la biomedicina, incluido el desarrollo del primer órgano impreso en 3D para un trasplante: una vejiga.

Actualmente, la impresión 3D para aplicaciones biomédicas está en plena expansión. Se ha estimado que en 2021 el tamaño del mercado mundial para la impresión 3D en biomedicina fue de 1450 millones de dólares y se espera que llegue a unos 6210 millones en 2030. Para descubrir las principales tendencias en impresión 3D en biomedicina, hemos analizado datos procedentes de CAS Content Collection™, la mayor colección de conocimientos científicos publicados seleccionada por expertos.

Tecnologías y materiales empleados en la impresión 3D

La impresión 3D se divide en cuatro grandes categorías: fusión de capas de polvo, PolyJet, extrusión y fotopolimerización. Dada la diversidad de las aplicaciones, no existe una única tecnología de impresión 3D que funcione en todos los casos. No obstante, las tecnologías basadas en la extrusión, como el FDM, siguen siendo el tipo de impresión 3D más empleado en biomedicina (figura 1).

Desde plásticos y metales hasta sustancias naturales, en la impresión 3D para la biomedicina se puede emplear una amplia variedad de materiales. Los polímeros sintéticos, como la policaprolactona y el ácido poliláctico, se encuentran entre los materiales de impresión 3D usados con más frecuencia (figura 2), debido a sus aplicaciones en microfluidos y en implantes médicos. La hidroxiapatita es la sustancia inorgánica empleada con más frecuencia y se utiliza como material dental y de relleno para la reparación ósea. Diversos polímeros naturales, como el alginato y el ácido hialurónico, están ganando popularidad en la bioimpresión.

El auge de la impresión 3D en el ámbito de la biomedicina

Las tendencias anuales que muestran las publicaciones de revistas y patentes sobre las aplicaciones biomédicas de la impresión 3D indican que la innovación en este ámbito está en pleno crecimiento, pese a que el número de publicaciones en revistas fue muy superior (aproximadamente 15 000) al de publicaciones de patentes (aproximadamente 5700) (figura 3). Esta tendencia podría ser un reflejo del crecimiento de la comercialización de la tecnología en los últimos años.

Aproximadamente 90 países han publicado artículos sobre las aplicaciones biomédicas de la impresión 3D, lo que revela un interés generalizado en esta tecnología. De estas naciones, EE. UU. y China están a la cabeza, ya que cuentan con el mayor número de publicaciones tanto de revistas como de patentes (figuras 4 y 5).

Al analizar la tendencia de la impresión 3D en biomedicina en lo que respecta a los cesionarios de patentes, constatamos que la mayoría de las patentes han sido cedidas a 3M, una empresa con sede en EE. UU. Otros de los países activos en cuanto a la publicación de patentes son Corea, Lichtenstein, Francia y China (figura 6).

Aplicaciones innovadoras de la impresión 3D en biomedicina

Aunque ya hemos destacado algunas de las principales aplicaciones biomédicas de la impresión 3D, las posibilidades son realmente ilimitadas. Desde la creación de implantes médicos a la fabricación de equipos médicos, las innovaciones se suceden sin descanso. La ingeniería de tejidos y órganos es una de las principales aplicaciones de la impresión 3D, y se está explorando la fabricación de estructuras complejas como los cartílagos, los músculos y la piel. El análisis de la CAS Content Collection revela que conceptos como “ingeniería tisular”, “andamio tisular” y “bioimpresión” aparecen con frecuencia en publicaciones sobre impresión 3D en biomedicina relativas a tejidos y órganos, lo que indica que se trata de un área de investigación prioritaria (figura 7).

Asimismo, la tecnología de impresión 3D puede tener diversas aplicaciones en el sector farmacéutico para ayudar a hacer realidad el esquivo objetivo de la medicina personalizada. El uso de la impresión 3D en biomedicina podría permitir la modificación y el ajuste de la dosis, la forma, el tamaño y las características de liberación de los productos farmacéuticos.

La tecnología de impresión 3D en biomedicina también ha abierto nuevas posibilidades para la creación de prótesis e implantes y permite crear prótesis personalizadas y adaptadas a la anatomía, el color, la forma y el tamaño del paciente. Los materiales flexibles han ampliado el abanico de opciones en cuanto a partes del cuerpo y prestaciones, mientras que los metales, como la aleación de titanio, se pueden utilizar en la reconstrucción ósea. Los análisis de la CAS Content Collection revelan que conceptos como “implantación de prótesis”, “materiales protésicos” e “implantes dentales” aparecen con frecuencia en publicaciones sobre impresión 3D relativas a ortopedia y prótesis (figura 8). Pese a que se encontraron muchas menos publicaciones que en el campo de los tejidos y órganos, este es un ámbito dinámico que crece con rapidez.

Desafíos de la impresión 3D en el ámbito de la biomedicina

Aunque se han producido extraordinarios avances en la impresión 3D aplicada a la biomedicina, en muchos aspectos esta tecnología se encuentra aún en su fase inicial. Por ejemplo, aunque los investigadores han conseguido bioimprimir parches cardíacos vascularizados, producir una válvula cardíaca robusta o un órgano a tamaño natural está aún muy lejos de ser viable. Actualmente, las impresoras 3D no pueden fabricar tejidos con las características biomecánicas y la funcionalidad que tiene el objeto real. Los avances en biotintas y el uso de medios de cultivo y células madre probablemente contribuirán a la futura optimización de estos métodos.

El futuro de la impresión 3D en biomedicina

A juzgar por las tendencias de investigación actuales, podemos esperar una importante y continuada inversión en impresión 3D en el ámbito de la biomedicina, lo que dará como resultado una innovación constante. Nuestro pronóstico es que el uso de esta tecnología se generalizará, por lo que la idea de que las impresoras 3D lleguen a usarse en el ámbito farmacéutico se convertirá en una posibilidad más cercana. Aunque la impresión 3D en biomedicina supone una gran inversión económica para los hospitales, los beneficios pueden superar con creces los costes si se cuenta con una planificación adecuada. A medida que crece la tecnología, es preciso emplear una terminología estandarizada y es imprescindible que la Food and Drug Administration (FDA) defina un nuevo marco regulador que garantice la seguridad y la eficacia de los productos de biomedicina impresos en 3D.

Para obtener más información, descargue nuestro informe de CAS Insights.

A causa del impacto medioambiental de las emisiones de CO², los científicos están explorando formas de mejorar la sostenibilidad de la fabricación de fertilizantes. Esta revisión de revistas científicas analiza las tendencias científicas y de patentes sobre fertilizantes sostenibles de 2001 a 2021 en la CAS Content Collection^TM. Este estudio bibliométrico, que incluye una revisión de la literatura, ayudará a los científicos a identificar y usar nuevos fertilizantes y fuentes de nutrientes para ampliar los ya existentes mejorando a la vez la eficacia y la sostenibilidad de la gestión de residuos y la producción de amoníaco.

A medida que crece la población mundial, aumenta también la demanda de alimentos. Aunque los fertilizantes sintéticos son valiosos, su producción y su uso pueden tener efectos negativos en el medioambiente.

Los fertilizantes sostenibles, en cambio, ofrecen una alternativa más respetuosa con el medioambiente. Explore el panorama emergente de este campo en crecimiento con información exclusiva sobre las tendencias de publicación, las nuevas oportunidades y los desafíos pendientes.