Las baterías de litio están por todos lados, en vehículos eléctricos, herramientas, dispositivos electrónicos como celulares y smartwatches. Sin embargo, los materiales para fabricarlas son finitos, y su obtención tiene diferentes implicaciones.
Es por ello que el reciclaje es la clave para abordar estos elementos medioambientales, humanitarios y económicos, pero un estudio reciente muestra que la mayoría de las baterías de iones de litio nunca se reciclan.
El litio y otros metales que componen las baterías son increíblemente valiosos. El costo del litio en bruto es aproximadamente siete veces superior al que se pagaría por el mismo peso en plomo, pero a diferencia de las baterías de litio, casi todas las de plomo-ácido se reciclan. Así que hay algo más allá de la pura economía en juego.
Resulta que hay buenas razones para que el reciclaje de las baterías de litio no se haya producido todavía. Pero algunas empresas esperan cambiar eso, lo cual es bueno, ya que el reciclaje de las baterías de litio será una parte esencial de la transición hacia las energías renovables.
Lecciones de plomo-ácido
¿Cómo de extrema es la disparidad entre las baterías de litio y las de plomo? El precio medio de una tonelada métrica de carbonato de litio para baterías es de aproximadamente 20.000 dólares, frente a los 2.425 dólares del plomo en los mercados norteamericanos, y las materias primas suponen ya más de la mitad del costo de las baterías, según un informe de 2021 de la Agencia Internacional de la Energía (AIE).
El desequilibrio del reciclaje también es contraproducente en lo que respecta al suministro de material nuevo. Las fuentes mundiales de litio ascienden a 89 millones de toneladas, la mayoría de las cuales proceden de Sudamérica, según un reciente informe del Servicio Geológico de Estados Unidos. En cambio, la oferta mundial de plomo, de 2.000 millones de toneladas, es 22 veces mayor que la de litio.
A pesar de la menor oferta de litio, un estudio publicado este año en el Journal of the Indian Institute of Science descubrió que menos del 1% de las baterías de iones de litio se reciclan en EE.UU. y la UE, en comparación con el 99% de las baterías de plomo-ácido, que son las que más se utilizan en los vehículos de gasolina y las redes eléctricas.
Según el estudio, los problemas de reciclaje van desde la constante evolución de la tecnología de las baterías hasta el costoso transporte de materiales peligrosos, pasando por la inadecuada regulación gubernamental.
Emma Nehrenheim, directora de medio ambiente de Northvolt batteries, dijo que todo el mundo esperaba que el plomo se eliminara ya, pero admite que su éxito económico se debe a las altas tasas de reciclaje.
“Cada vez que se compra una batería para el vehículo, hay que devolverla entera, y luego entra en la cadena de reciclaje”, dijo Nikhil Gupta, autor principal del estudio y profesor de ingeniería mecánica en la Escuela de Ingeniería Tandon de la Universidad de Nueva York.
Esto no ha funcionado con las baterías de litio, en parte porque existen muchos formatos. “Estas baterías están por todas partes en diferentes tamaños”, dijo. Otro problema relacionado es que la tecnología de las baterías de litio cambia rápidamente, cada uno o dos años.
Pero superar estos retos de reciclaje es una necesidad. Las baterías de litio contienen más energía en un paquete más pequeño en comparación con las baterías de plomo-ácido.
Son cruciales para descarbonizar el transporte y permitir una transición generalizada a la energía renovable, ya que ayudan a garantizar un suministro predecible de energía eólica y solar, que de otro modo sería intermitente.
Sin duda, lograr estas transiciones a escala mundial es una tarea enorme, para ello sería necesario realizar grandes avances en la tecnología de las baterías.
En consecuencia, el consumo mundial de litio ha aumentado un 33% desde 2020. Si se alcanzan los objetivos de energía renovable suficientes para detener el cambio climático, se espera que la demanda de litio se multiplique por 43, según la AIE. “¿Qué pasa si no tenemos suministro de litio?” dijo Gupta. “Todavía no hay una buena respuesta”.
El litio no es el único material que puede limitar el uso de estas baterías. El ánodo y el cátodo de las baterías contienen materiales que también están sujetos a una posible escasez de suministro, como el cobalto y el níquel.
Así que el reciclaje podría ayudar a resolver múltiples problemas de suministro. “Si se quiere construir una batería, una batería vieja contiene exactamente los mismos componentes”, dijo Nehrenheim.
El boom del reciclaje de baterías
El informe del USGS señala que unas dos docenas de empresas de Norteamérica y Europa reciclan baterías de litio o tienen planes para hacerlo, en comparación con una sola instalación hace unos años.
Para las pocas instalaciones que pueden recuperar los materiales de las baterías de iones de litio, los procesos tradicionales no son lo suficientemente eficientes como para recuperar el litio de alta calidad que se utilizará para rehacer las baterías.
El método pirometalúrgico, por ejemplo, es fácil de escalar y funciona con cualquier formato de batería, pero implica un proceso de alto consumo energético que utiliza un calor elevado para incinerar la batería. Aunque las cenizas contienen materiales útiles, la pirometalurgia puede producir humos tóxicos y limita la recuperación de otros componentes valiosos.
Otros métodos implican la trituración de la pila y la posterior extracción de materiales mediante largos y complejos procesos químicos que varían en función de la tecnología de la pila utilizada.
El reciclaje directo es una alternativa que básicamente descompone la batería y conserva los materiales del cátodo y del ánodo para reacondicionarlos. Este método está en sus inicios, y tiene el potencial de ser más barato, seguro y más eficiente.
El proceso se ve dificultado por la necesidad de descomponer manualmente una gran variedad de formatos de baterías. Un paquete de baterías de litio contiene módulos con celdas, y en estas celdas es donde se encuentran los metales valiosos. Llegar manualmente a estas celdas es posible pero tedioso, y la automatización es necesaria para procesar grandes volúmenes.
“Es un poco más difícil reciclar este tipo de materiales”, afirma Nehrenheim, de Northvolt. El fabricante sueco de baterías cuenta con múltiples programas a través de una iniciativa que denomina Revolt, incluida una planta piloto de reciclaje que funciona desde finales de 2020. También están en proceso de desarrollar Revolt Ett -sueco para “uno”-, una planta de reciclaje a gran escala que aspira a tener la capacidad de reciclar 125.000 toneladas de baterías al año, a partir de 2023.
Como la mayoría de las empresas, el proceso de Northvolt no es de reciclaje directo. Sin embargo, desmantela las baterías hasta el nivel de los módulos antes de iniciar cualquier proceso de trituración o químico.
El pasado otoño, Northvolt produjo su primera batería utilizando únicamente material reciclado. Northvolt cuenta con un robot que está poniendo a punto en sus instalaciones piloto, y la empresa espera automatizar en gran medida la mayor parte del proceso de desmantelamiento en el futuro.
Desfabricación
En 2015, Ryan Melsert fue a trabajar para Tesla justo antes de que comenzara el desarrollo de su Gigafactory en las afueras de Reno, Nevada. Mientras estaba allí, él y un pequeño equipo trabajaron para diseñar el edificio, las baterías, el equipo y cualquier otro elemento necesario para la instalación.
Ahora, como director general de American Battery Technology Company (ABTC), Melsert y su equipo trabajan para hacer lo contrario. “Realmente nos dio la comprensión fundamental y el aprendizaje de todos esos pasos individuales de fabricación que es difícil de obtener de otra manera”.
Su experiencia en el desarrollo de baterías para vehículos de iones de litio de principio a fin, les ayudó a él y a su equipo a entender íntimamente lo que se necesitaría para invertir el proceso para reciclar con eficacia. Una batería defectuosa o al final de su vida útil, dijo, es un recurso más que contiene metales valiosos.
Gran parte de las tecnologías de reciclaje actuales toman la batería entera y simplemente la meten en un horno y la funden, o la meten en una trituradora y la trituran
Lo que hace en ABTC es retroceder e invertir el orden de muchos de los pasos de fabricación para eliminar realmente el material de una manera mucho más estratégica tanto para reducir los costos como para aumentar las tasas de recuperación. Esta “des-fabricación” automatizada facilita la extracción química real.
Su proceso de reciclaje en dos partes implica este desmontaje, seguido de un proceso hidrometalúrgico o químico. ABTC está construyendo su primera instalación en el norte de Nevada, que tiene el potencial de recuperar materiales de grado de batería en menos de tres horas.
La empresa espera que esté terminada a finales de 2022 y que tenga la capacidad de admitir 20.000 toneladas métricas de material reciclable al año. Si se consigue, eso equivaldría a una quinta parte del peso total del litio en bruto producido en 2021.
A pesar de los rápidos cambios tecnológicos, la mayoría de las baterías de litio estarán en uso durante años antes de necesitar ser reemplazadas, lo que permite que las instalaciones de reciclaje se adapten.
La mayor vida útil de las baterías de litio permite que las instalaciones de reciclaje se preparen y adapten para la siguiente iteración en el reciclaje.
Figura 1. Las rutas para el reciclaje de los materiales tienen diferentes retos.
Construyendo una economía circular de baterías
Una forma de hacer que el reciclaje sea omnipresente es conseguir que los fabricantes piensen en la reciclabilidad desde el principio. La idea ha ido ganando adeptos en los últimos años: los fabricantes y los recicladores trabajan juntos para obtener beneficios creando el menor número posible de residuos.
En una economía lineal, cuando una batería se queda sin carga, acaba en un vertedero. En una economía circular, en lugar de ir a la basura, las baterías vuelven a empezar su vida como materia prima y regresan a la cadena de fabricación.
Una vez que estos metales se extraen, se pueden mantener esencialmente en ese bucle indefinidamente, esto significa, en teoría, que todas las empresas implicadas podrían beneficiarse indefinidamente sin desperdiciar casi material.
Pero para que la economía circular de las baterías funcione, las plantas de reciclaje tienen que igualar la producción de las plantas de fabricación. “La parte de la fabricación está creciendo muy rápidamente, y todavía no hay ninguna planta de reciclaje a escala comercial”, dijo Melsert.
Esto garantizaría un suministro constante, reduciría los costos y posiblemente disminuiría la huella medioambiental en comparación con la minería. Melsert cree que, para lograr este objetivo, es fundamental desarrollar asociaciones en todos los puntos de la cadena de suministro, desde las refinerías hasta los fabricantes de vehículos y los recicladores de baterías.
La innovación en las baterías de iones de litio está todavía en sus etapas de desarrollo, con importantes mejoras en poco más de una década, en comparación con el medio siglo de las baterías de plomo-ácido. Sin embargo, aún podría pasar otra década antes de que las soluciones alcancen realmente la escala necesaria.
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