Seleccionar materials i tècniques de fabricació de baix impacte permet facilitar la gestió de les bateries al final de la vida útil. Un equip ha desenvolupat una metodologia per eco-dissenyar bateries, adaptar-les a la seva aplicació i millorar-ne el reciclatge. "Si alguna altra empresa vol eco-dissenyar una bateria o dispositiu pot acudir a nosaltres o intentar seguir la metodologia", apunten els científics.

La bateria dissenyada pel CSIC i BCMaterials és reciclable amb paper i cartró (Carles Tortosa i Marina Navarro)

Un equip de l'Institut de Microelectrònica de Barcelona del CSIC (IMB-CNM-CSIC), i del Centre Basc de Materials, Aplicacions i Nanoestructures (BCMaterials), ha desenvolupat una metodologia per ecodissenyar de bateries i adaptar-les als productes en què seran implementades. Consisteix a fabricar les bateries tenint en compte el cicle de vida de l'element, des de la selecció dels materials fins al reciclatge i la reutilització final, per garantir així la seva circularitat.

“Tenim en compte perquè s'utilitzarà i on acabarà el producte per decidir quins materials i tècniques de fabricació farem servir. L'ecodisseny de la bateria es fa per a un propòsit específic i segueix el cicle de vida de l'aplicació que alimenta”, explica Juan Pablo Esquivel, investigador IKERBASQUE al BCMaterials, anteriorment a l'IMB-CNM-CSIC.

Una bateria que imita una flor

L'equip científic fa anys que perfecciona l'ecodisseny de bateries per a diferents usos. Un dels seus primers dissenys és la FlowER Battery, que funciona imitant el principi de transpiració d'una planta -mou els reactius per la seva estructura microfluídica fins a expulsar-los per evaporació i produeix energia gràcies a una reacció electroquímica als seus elèctrodes de carboni porosos. La FlowER battery, que es pot biodegradar al final de la seva vida útil seguint el cicle natural d'una planta, va ser presentada el 2022. En el seu desenvolupament va participar l'empresa, Fuelium, spin-off del CNM, a través d'un investigador MSCA Fellow, Omar Ibrahim, coautor de l'article, sota la direcció d'Esquivel.

Els resultats es van publicar a la revista Energy & Environmental Science. “Aquell article ja presentava prototips operatius d’aquestes bateries. La idea ha estat desenvolupar aquesta tecnologia amb la intenció que es pugui convertir en un altre producte del catàleg de l'empresa quan hagi madurat. En realitat, Fuelium actualment comercialitza una tecnologia de bateries ecodissenyades per a aplicacions de diagnòstic portàtil que vam crear ja fa una dècada a l'IMB-CNM”, aclareix Esquivel.

Així, l'equip ha ampliat la metodologia i ha creat una bateria per a embalatge intel·ligent. Està composta de materials lignocel·lulòsics, i inclou grafè induït per làser per a la generació dels col·lectors de corrent.

El repte de la paqueteria intel·ligent

El reciclatge de l'electrònica és una problemàtica creixent a la societat digital i els esforços per reduir els residus comencen en el seu disseny.

Les piles de botó solen ser la font d’alimentació dels sensors que acompanyen els paquets que s’envien per missatgeria. Normalment, ni la cinta adhesiva ni el sensor de seguiment es poden reciclar amb l'embalatge, cosa que genera un conflicte per al seu reciclatge. El paper i el cartró, en canvi, tenen la taxa més alta de reciclatge entre tots els materials, taxa que està al voltant del 74% a la Unió Europea (2020), i permet una alta circularitat de les fibres, que poden ser reciclades fins a 25 vegades.

De les 229.000 tones de bateries portàtils venudes a la UE el 2020, només un 47% van ser recollides per reciclar. L'objectiu del nou reglament europeu és augmentar aquesta xifra fins al 73% durant la propera dècada

D'altra banda, segons dades de la UE, de les 229.000 tones de bateries portàtils venudes el 2020, només un 47% van ser recollides per reciclar. L'objectiu del nou reglament europeu és augmentar aquesta xifra fins al 73% durant la propera dècada.

Així, els investigadors han escollit la paqueteria intel·ligent com a escenari de gran impacte per aplicar aquesta metodologia i crear una bateria eco-dissenyada.

Bateria FlowER instal·lada en un camp. La tija verda és una estructura compostable i a les fulles de la flor es produeix l'evaporació./ Carles Tortosa

La bateria desenvolupada pel CSIC i BCMaterials té un format final semblant a una etiqueta adhesiva que s'adhereix a l'embalatge. Marina Navarro, investigadora postdoctoral al BCMaterials, anteriorment a l'IMB-CNM-CSIC, apunta que "s'ha demostrat en assajos estandarditzats que pot ser reciclada al contenidor blau de paper i cartró sense necessitat de separació de l'envàs".

“La bateria és versàtil i es pot fabricar amb diferents mides i voltatges segons l'ús concret que se li donarà, pot funcionar per alimentar dispositius típicament utilitzats en aquest sector, com ara pantalles electrocròmiques o localitzadors de seguiment del paquet integrat a l'Internet de les Coses i capaces de controlar paràmetres del contingut, com la humitat i la temperatura”, afegeix la científica.

El substrat inclou també un col·lector de corrent fet de grafè induït per làser (LIG) com a “alternativa sostenible als metalls habituals en bateries per la seva elevada conductivitat elèctrica i estabilitat química”.

Si el grafè es processés d'altres formes, com en el cas de les tintes, “es requeririen més reactius químics que després hauríem de separar i eliminar en un consum d'energia més gran, cosa que redundaria en una manufacturació més contaminant i menys circular”, conclou Iñigo Martín, investigador de l'IMB-CNM-CSIC.

“Si alguna altra empresa vol ecodissenyar una bateria o dispositiu electrònic, pot acudir a nosaltres o intentar seguir la metodologia que hem fet. Estem convençuts que és el camí, per la qual cosa com més desenvolupadors l'adoptin, millor”

Una primera guía per eco-dissenyar bateries

La metodologia ofereix una primera guia per començar a eco-dissenyar les fonts d’alimentació, amb l’objectiu que sigui una tecnologia escalable en el futur i reduir així els residus electrònics del sector.

“Si alguna altra empresa vol ecodissenyar una bateria o dispositiu electrònic, pot acudir a nosaltres o intentar seguir la metodologia que hem fet. Estem convençuts que és el camí, per la qual cosa com més desenvolupadors l'adoptin, millor”, apunta Esquivel.

El treball es va iniciar amb la tesi de Marina Navarro a l'IMB-CNM, supervisada per Esquivel, i d'una col·laboració que ella inicia a Alemanya després de rebre el premi del Clúster d'Excel·lència PoLiS per a personal investigador jove, finançat per la Fundació Alemanya de Recerca Científica (DFG). Inclou la col·laboració de Manuel Baumann i Marcel Weil del Karlsruhe Institute of Technology; d'Omar Ibrahim, investigador Marie Curie Fellow, i l'assistent de recerca Carles Tortosa a l'spin-off de l'IMB-CNM Fuelium, cofundada per Esquivel; la contribució d'Iñigo Martín a la tecnologia de grafè; i la participació de l'estudiant de TFG a l'IMB-CNM Joseba M. Ormaetxea.