La amplia variedad de arquitecturas de baterías lleva al reciclador “Umicore” a utilizar la piro metalurgia para extraer cobalto, lo que complica la recuperación de otros materiales.
El creciente desafío del reciclaje de baterías de iones de litio debe abordarse en la etapa de diseño. Sin embargo, hasta la fecha, los fabricantes se han centrado más en la seguridad, la densidad de potencia y la reciclabilidad (capacidad que tienen los productos diseñados en cumplir con la cadena de reciclado de la mejor forma).
Investigadores de reciclaje de baterías de iones de litio de las universidades de Leicester, Newcastle y Birmingham; La Institución Faraday; el “Centro ReCell” y el Laboratorio Nacional Argonne han examinado el diseño del producto y publicado sus hallazgos en el documento.
La importancia del diseño en el reciclaje de baterías de iones de litio: una revisión crítica, publicada en “Green Chemistry”. “Para crear una economía circular para cualquier material, es importante tener pocos componentes, un costo menor para el proceso secundario [reciclaje] que el proceso primario [extracción de materia prima], un diagrama de flujo de purificación simple, componentes valiosos y una recolección y mecanismo de segregación”, escribieron los autores. “También ayuda cuando el material tiene un impacto ambiental significativo si no se recicla, ya que esto tiende a exigir su reciclaje”.
Las baterías de plomo-ácido cumplen esos requisitos de diseño, lo que explica una tasa de recolección cercana al 100 % en Japón, EE. UU. y la mayor parte de Europa y un régimen de reciclaje que recupera más del 98 % de la masa total de las baterías. Las baterías de plomo-ácido tienen un diseño sencillo, con una carcasa de polipropileno, un electrolito y dos electrodos, hechos de plomo y óxido de plomo. La separación de componentes por densidad es relativamente simple dado que el plomo y el polipropileno tienen valores de 11.3 y 0.9 g/cm.
Los valores de densidad similares de los cátodos y los colectores de corriente en las baterías de iones de litio hacen imposible un enfoque similar. Por lo tanto, los dispositivos de iones de litio requieren enfoques como reacciones redox (óxido-reducción o reacciones reducción-oxidación), solubilidad o explotación de propiedades electrostáticas y magnéticas para separar los materiales que componen las celdas. La falta de etiquetado es otro obstáculo importante para un régimen de reciclaje eficaz.
A diferencia de las baterías de plomo-ácido, los dispositivos de litio muestran una variedad de químicas y arquitecturas, como baterías NCA, NMC, LMO, LCO y LFP, todas las cuales pueden combinarse en diferentes químicas. Las celdas también pueden venir en forma de bolsa, prismática o cilíndrica antes de soldarse en módulos y combinarse en el paquete.
Costos
El grupo de investigación del Reino Unido-Estados Unidos dijo que no existen estándares globales para el etiquetado de baterías, que es necesario para indicar claramente la composición del dispositivo a los recicladores. Como resultado, hidrometalurgia, que implica trituración y tratamiento ácido; y la piro metalurgia, la fundición de alto consumo energético antes del paso ácido, se han convertido en algo habitual en el reciclaje de baterías de iones de litio. La hidrometalurgia requiere un tratamiento previo, una descarga y un desmantelamiento correcto en lugar de una “trituración”.
El manejo y cualquier pre tratamiento podrían llevarse a cabo mediante robótica, pero solo si el tipo de batería y la arquitectura están claramente etiquetados, según los autores del estudio. Los investigadores dijeron que el organismo mundial de la industria automotriz SAE International recomendó recientemente un esquema de etiquetado.
Con la ONG Greenpeace East Asia pidiendo hoy a China que coloque el uso y el reciclaje de baterías de segunda vida en el centro de su plan 2060 de cero carbono, los autores del documento de reciclaje de iones de litio dijeron que Beijing está considerando estándares de etiquetado para dispositivos de litio.
La variación en cómo se organizan las celdas y los módulos dentro de los paquetes de baterías, es algo a tomar en cuenta.
A veces dentro de una sola flota de fabricantes de vehículos eléctricos, presenta otro obstáculo para los recicladores. Los dispositivos de iones de litio están organizados para maximizar la seguridad y la longevidad de la celda a expensas de la reciclabilidad ó es la capacidad que tienen los productos diseñados en cumplir con la cadena de reciclado de la mejor forma.
Cuanto mayor sea el recuento de células, menor será la proporción de materiales activos (y valiosos) con respecto al peso de la batería. El aumento del recuento de células también complica los pasos de apertura y separación que aumentan los costos de reciclaje.
Ejemplos de números de celdas en autos eléctricos
- Un vehículo eléctrico (EV) Tesla Model S con una batería de 85 kWh contiene 16 módulos, cada uno de los cuales comprende 444 celdas, 7.104 celdas cilíndricas en cada automóvil.
- Un BMW i3 cuenta con 96 celdas prismáticas;
- Un Nissan Leaf 192 celdas de bolsa.
Cuando el desmantelamiento es lento y costoso, el único método de reciclaje se convierte en piro metalurgia, que es costosa e ineficiente”, escribieron los autores del artículo de Green Chemistry. Por lo tanto, el reciclaje se encuentra en una situación de trampa 22 (catch 22) , donde el diseño de la celda y el paquete controla la estrategia de reciclaje.
El desmontaje manual de paquetes y módulos para extraer células individuales es la opción preferida para recuperar materiales puros, pero lleva más tiempo que la trituración. Estos retrasos se ven agravados por las innumerables combinaciones de diseño de celda y paquete que hacen que el desmontaje automatizado sea prácticamente inalcanzable.
Los autores del artículo sugieren la estandarización de las fijaciones de la capa más externa y los arreglos de módulos y celdas para superar el problema, en otro eco de las recomendaciones de Greenpeace East Asia para la industria de baterías china. Los paquetes se pueden cerrar con tornillos, dispositivos de ajuste a presión u otros mecanismos de torsión para los que una herramienta estándar permitiría el acceso con relativa facilidad y sin dañar las capas inferiores.
Barras colectoras sólidas
Las baterías también podrían presentar barras colectoras sólidas en lugar de los cables flexibles que conectan los módulos en la actualidad, dijeron los investigadores. Tales estructuras podrían ver las células conectadas directamente a la barra colectora sin la necesidad de un módulo y los robots podrían separar más fácilmente las células de la barra colectora.
Los componentes de la celda se pueden acceder y separar más fácilmente con la adición de un punto de ruptura u otro mecanismo de apertura. Los académicos también sugirieron centrarse en los agentes aglutinantes actualmente no reversibles que unen materiales activos a la capa de polímero en dispositivos de iones de litio. Tratar con aglutinantes convencionales aumenta los costos de separar los materiales del cátodo y el ánodo del polímero.
“[Un] [enfoque] de diseño para reciclaje a menudo implica cambios menores en las estructuras de los productos, pero puede ayudar a establecer una economía circular si devuelve las materias primas al proceso de fabricación a un costo significativamente reducido en comparación con las fuentes primarias”, agregaron los autores del tema.
Soluciones propuestas sobre el tema
Los investigadores dijeron que separar los materiales de los electrodos sin triturarlos podría reducir el costo del reciclaje de baterías hasta un 70% más barato, que el costo de obtener materiales vírgenes.
El etiquetado completo, las arquitecturas simplificadas a granel sólido, el diseño fácil de abrir y los adhesivos y aglutinantes reversibles resolverían la mayor parte de los problemas de reciclaje de baterías de iones de litio, dijo el grupo Reino Unido-Estados Unidos.
Los académicos también sugirieron cómo incorporar tales regulaciones, sugiriendo que la responsabilidad extendida del fabricante y la obligación de retirar los productos al final de su vida útil impulsarían a los ingenieros a adoptar un enfoque de diseño para reciclaje.
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