El
reciclado introduce cadena de valor a las baterías de litio de los vehículos eléctricos
La cadena de
valor abarca desde la producción de materiales para crear celdas hasta su
reciclaje, pasando por la producción de celdas, mejoras en seguridad y fiabilidad,
etc., con el objetivo de lograr una
industria de baterías que sea sostenible y amigable con el medio ambiente. Dentro
de este marco, el reciclado de baterías es clave en el desarrollo serio y responsable
de esta nueva tecnología. Con la regla de las 3R, como meta: Reducir, Reutilizar
y Reciclar, ingresamos al desarrollo del tema.
Celda o batería
Puede haber confusión
con estos términos, entonces con un breve ejemplo, se aclarará el concepto. Un
teléfono móvil tiene como fuente de alimentación eléctrica una celda a
la que llamamos directamente “batería”.
Un vehículo eléctrico tiene una “batería”
la cual está conformada por un número determinado de módulos que son
conformados por celdas o baterías individuales.
Una celda o
batería está conformada básicamente por los siguientes elementos:
Un ánodo
conformado generalmente de carbono grafito depositado sobre una lámina de cobre
que oficia de colector de corriente. Un
cátodo con una solución depositada sobre una lámina de aluminio que oficia de
colector de corriente; un electrolito de hexafluorofosfato de litio (LiPF6) con
un disolvente orgánico; un separador de polipropileno (PP) o polietileno (PE);
una cubierta metálica (generalmente aluminio) y piezas de sellado.
Componente
de costo (promedio) de una celda de ion- Litio
Desde 2010,
el precio promedio de un paquete de baterías
de iones de litio (Li-ion) ha caído de u$ 1,200 por kilovatio-hora (kWh) a solo u$
132/kWh en 2021.
Según datos
de BloombergNEF, el costo del cátodo de cada celda suma más de la mitad del
costo total de la celda.
Los cátodos
determinan efectivamente el rendimiento, el alcance y la seguridad térmica de
una celda/batería y, por lo tanto, de un vehículo eléctrico en sí, lo que los
convierte en uno de los componentes más importantes. Los mismos están
compuestos de varios metales (en formas refinadas) dependiendo de la química de
la celda, típicamente incluyen litio y níquel.
Las
composiciones de cátodos comunes en uso moderno incluyen:
Fosfato de
litio y hierro (LFP)
Litio níquel
manganeso cobalto (NMC)
Óxido de
litio, níquel, cobalto y aluminio (NCA)
Reutilizar y Reciclar
Las
preocupaciones sobre las limitaciones materiales en la producción de baterías
de iones de litio se centraron primero en la disponibilidad de litio. Sin
embargo, un análisis cuidadoso de la base de producción mundial y la
disponibilidad física del recurso reveló que incluso una penetración muy
agresiva de los vehículos eléctricos en el mercado automotriz era poco probable
que agotara los recursos de litio hasta el año 2050.
A
continuación se muestra a modo de ejemplo el contenido estimado de materiales
requeridos para dos celdas, una de 100 Ah y otra de 10 Ah.
La expansión
de la producción de baterías tendría que
seguir el ritmo de la expansión de los
componentes requeridos. Un elemento controvertido como el cobalto se identificó rápidamente como un elemento de
preocupación debido a que las estimaciones de la demanda mundial acumulada solo
de baterías hasta 2025 muestran que las baterías podrían utilizar alrededor del
10 % de las reservas disponibles. Ello ha llevado a los fabricantes de baterías
de vehículos eléctricos a modificar las fórmulas de cátodo a otras que dependen
menos del cobalto y más del níquel. Las
preocupaciones sobre el cobalto han resultado en un mayor interés en el
reciclaje como una fuente de materiales.
Procesos que
se utilizan para el reciclado:
.- La
pirometalurgia. Es una rama de la metalurgia extractiva centrada en
obtener y refinar los metales a través del calor. Así, se extrae el metal del
mineral separando la ganga para purificarlo. Las principales operaciones de la
pirometalurgia son el secado, la calcinación, la tostación, la fusión y el
refino.
En los
procesos pirometalúrgicos se manejan temperaturas muy altas, que rondan los
950º. Entre las ventajas de la pirometalurgia encontramos que permite procesar
cantidades muy grandes de mineral, que las velocidades de reacción son muy altas
y que es un proceso fácil de controlar con el equipo adecuado. Además, la
pirometalurgia es el
tratamiento
más indicado para aquellas materias primas más complejas y heterogéneas.
.- La
hidrometalurgia. Es una rama de la metalurgia que se centra en la
extracción y recuperación de los elementos de interés a través de soluciones
líquidas, acuosas y orgánicas, empleando la lixiviación. Es decir, el metal
puro se extrae a partir de reacciones químicas en la solución que lo contiene.
La hidrometalurgia es un proceso más sencillo que la pirometalurgia, además de
mucho menos contaminante. En la parte negativa se encuentra la alta acidez de
trabajo y que, en algunos casos, se generan residuos tóxicos.
.-La
electrometalurgia. Esta rama emplea energía eléctrica para producir y
tratar los metales. La convierte en calor para generar la temperatura adecuada
para el proceso o bien para ayudar a descomponer un compuesto por acción
electrolítica —cuando el calor utilizado es bajo— o bien por electrólisis
—cuando es mayor—. Se puede aplicar en
soluciones acuosas o en sales fundidas. En el primer caso se utiliza sobre todo
para cobre, zinc, níquel, cobalto, plomo, plata, oro y otros metales como
cadmio, cromo, manganeso, galio, titanio o telurio. En el segundo, para aluminio,
litio, magnesio, sodio y potasio, así como para tierras raras.
.- Reciclaje
directo. Es la reutilización de los residuos en el mismo proceso que lo
ha producido, directamente o bien, mediante algún tratamiento previo
Tanto el
reciclaje directo como los procesos hidrometalúrgicos comienzan con el
desmantelamiento o trituración de las celdas. Este paso permite la recuperación
inmediata de las láminas de cobre y aluminio como metales, aunque aún deben
separarse entre sí. Por el contrario, la pirometalurgia introduce células
enteras en un horno y envía el cobre a un producto de aleación mixta (donde
generalmente se recupera mediante hidrometalurgia) y el aluminio y el litio a
la escoria. Estos podrían recuperarse por lixiviación, pero los requisitos de costo
y energía generalmente impiden este paso. El uso de un horno de arco eléctrico
envía la mayor parte del litio al polvo del horno, del cual se puede recuperar
fácilmente.
Las celdas
se pueden triturar antes de la fundición (permitiendo la recuperación de las
láminas de cobre y aluminio), pero este paso no solo impone un costo adicional,
sino que elimina una fuente importante de energía de la fundición. El aluminio
se oxida y sirve como reductor en el horno, disminuyendo la necesidad de suministrar
combustible. La principal diferencia entre el reciclaje directo y los procesos
hidrometalúrgicos es que el reciclaje directo retiene la morfología del cristal
del cátodo, mientras que el hidro utiliza un ácido fuerte para disolver el
cátodo en sus iones constituyentes, que se envían a una solución acuosa.
Después de la lixiviación con ácido, los constituyentes disueltos pueden
separarse unos de otros y reutilizarse para fabricar nuevo material de cátodo.
Por lo general, se requieren múltiples etapas
de extracción con solvente para separar los iones de cobalto y níquel, que
tienen propiedades muy similares y son
difícil separarlos unos de otros.
Aunque la
mayor parte hasta ahora se ha centrado
en la recuperación de material de cátodo y láminas metálicas, también es
posible recuperar ánodo e incluso electrolito utilizando procesos de baja
temperatura. Ambos, por supuesto, se queman en una fundición, suministrando
parte del combustible del proceso. Los separadores también se queman en una
fundición. No se ha propuesto ningún proceso para recuperar los separadores
porque su valor radica en su factor de forma especializado (película porosa
delgada), que se perdería en cualquier procesamiento.
La
extracción con solventes del electrolito es posible, pero el bajo valor y la
contaminación generada por productos de degradación han limitado el
procedimiento
de
recuperación de electrolitos a casos
especiales.
No existe
una fórmula sencilla para reciclar las baterías de litio. Están constituidas
por múltiples componentes variados y complicados y cuyo diseño/composición
sigue evolucionando. Su reciclaje tiene beneficios medioambientales y
económicos, pero ninguno de los varios métodos para su reciclaje es ideal; cada
uno tiene sus propios inconvenientes y ventajas.
Ing. Ricardo
Berizzo
Cátedra:
Movilidad Eléctrica
U.T.N.
Regional Rosario 2022.-
