El reciclado introduce cadena de valor a las baterías de litio de los vehículos eléctricos

 

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.-