Reciclaje de Baterías de Litio y Emisiones de GHG

Las baterías de iones de litio (LIBs) se utilizan ahora en teléfonos móviles, laptops y vehículos eléctricos (EVs) debido a su alta energía por unidad de masa en relación con otros sistemas de almacenamiento de energía eléctrica. También tienen una alta relación potencia-peso, eficiencia energética, rendimiento a altas temperaturas y baja autodescarga. La mayoría de los vehículos totalmente eléctricos de hoy y los vehículos eléctricos híbridos enchufables (PHEVs) utilizan baterías de iones de litio. La química exacta de estas baterías a menudo varía de las utilizadas para la electrónica de consumo. Los desafíos actuales que enfrenta esta industria giran en torno a reducir su costo relativamente alto (debido a la oferta limitada), extender su vida útil y abordar las preocupaciones de seguridad sobre el sobrecalentamiento que puede llevar a explosiones. Por lo tanto, se necesitan nuevas soluciones para el reciclaje y la reutilización de materiales utilizados en LIBs. La mayoría de los componentes de las LIBs pueden ser reciclados, pero el costo de la recuperación de materiales sigue siendo un desafío para la industria. Por lo tanto, se necesitan nuevas soluciones. 

Las aplicaciones de LIB a menudo se etiquetan como “cero emisiones.” Sin embargo, esto ignora las emisiones de la cadena de suministro generadas en las etapas de adquisición y producción. Las LIBs son uno de los principales contribuyentes a la emisión de gases de efecto invernadero (GHG) durante la fabricación de EVs. En este caso, se recomienda reciclar las LIBs para reducir el consumo de energía, mitigar las emisiones de GHG y resultar en considerables ahorros de desechos. Además, la producción acelerada de LIBs en la línea de tecnologías de energía limpia ha llevado a una fuerte demanda de minerales como litio (Li), cobalto (Co) y manganeso (Mn). Las LIBs gastadas podrían considerarse la fuente secundaria de estos minerales. Encontrar una forma ambientalmente sostenible de recuperar estos minerales de los desechos es crítico. La creciente popularidad de los EVs ha llevado a un aumento en la demanda de baterías de iones de litio utilizadas para alimentar estos vehículos. En los EE. UU., se espera que los EVs aumenten del 5% al 25% de todos los coches vendidos para 2030. A medida que el número de EVs en la carretera continúa creciendo, también lo hace la necesidad de un reciclaje eficiente y efectivo de sus baterías. 

Reciclar LIBs puede ayudar a reducir las emisiones de GHG al reducir la energía necesaria para producir nuevas baterías y prevenir que materiales peligrosos entren en el medio ambiente. Este artículo discutirá cómo el reciclaje de baterías puede ayudar a reducir las emisiones de GHG y qué pasos se pueden tomar para garantizar que estas baterías sean recicladas adecuadamente.

La producción de LIBs requiere una cantidad significativa de energía, típicamente generada a partir de la quema de combustibles fósiles como el carbón o el gas natural. Este proceso libera grandes cantidades de GHG en la atmósfera, contribuyendo al cambio climático. Al reciclar baterías en lugar de producir nuevas, podemos reducir la energía necesaria para la producción y, por lo tanto, reducir las emisiones de GHG. Reciclar LIBs ayuda a prevenir que materiales peligrosos como el plomo y el cadmio entren en el medio ambiente. Estos materiales pueden ser tóxicos si se liberan en sistemas de agua o suelo, por lo que deben ser reciclados adecuadamente. Se pueden tomar varios pasos para reciclar baterías de EV adecuadamente y de manera eficiente. Primero, los fabricantes deben diseñar sus productos con la reciclabilidad en mente utilizando materiales que sean fáciles de separar y reciclar. Esto facilitará a los recicladores procesar los materiales sin utilizar energía o recursos adicionales. Además, los fabricantes deben proporcionar instrucciones claras sobre cómo los consumidores deben desechar sus baterías de EV usadas para que puedan ser recicladas adecuadamente. 

Distinción clave: Remanufactura vs. Reciclaje

Es crítico distinguir entre estos dos caminos al final de la vida útil, ya que intervienen en diferentes etapas del ciclo de vida de la batería.

Remanufactura (Reacondicionamiento y Reutilización): Esto ocurre a nivel de paquete o módulo. En lugar de destruir la batería para cosechar materias primas, el paquete de baterías se desensambla y se reemplazan celdas o módulos defectuosos. La batería se reequilibra y se actualizan los electrónicos de control. El resultado es un paquete de baterías funcional listo para una “segunda vida” (a menudo en almacenamiento de energía estacionaria), posponiendo la necesidad de reciclaje de materiales.

Reciclaje: Esto ocurre a nivel de material cuando una batería ha alcanzado su fin absoluto de vida. El objetivo es extraer materias primas (extracción) o restaurar materiales activos (reciclaje directo) para fabricar celdas de batería completamente nuevas.

Existen 3 métodos de reciclaje de LIBs: pirometalurgia, hidrometalurgia, y métodos de reciclaje físico directo de baterías de EV. Las emisiones de carbono de pirometalurgia, hidrometalurgia, y métodos de reciclaje físico directo se calculan en varios estudios.

Proceso de reciclaje pirometalúrgico:  La batería se tritura y se funde a altas temperaturas (>1000°C). Esto recupera aleaciones metálicas (Níquel, Cobalto) pero quema plásticos y grafito.

1. La emisión de carbono del proceso de reciclaje pirometalúrgico es de 5.11 kg CO₂-eq/kWh.
2. El proceso implica la fusión de baterías a alta temperatura con una temperatura de más de 1000 °C.
3. Las emisiones de GHG resultan de la energía de combustibles fósiles consumida en el proceso metalúrgico.
4. El grafito en el ánodo no puede ser reciclado por pirometalurgia, y la pirólisis del grafito en un entorno de alta temperatura producirá emisiones de GHG. 
5. Alto valor económico, pero bajo valor ecológico. 

Proceso de reciclaje hidrometalúrgico: La batería se tritura en “masa negra” y se disuelve en soluciones ácidas para separar metales. Esto recupera materias primas específicas como Níquel, Cobalto y Carbonato de Litio.

1. La emisión de GHG de la hidrometalurgia es de 2.68 kg CO₂-eq/kWh, que es un 47.6% más baja que la de la pirometalurgia. 
2. La hidrometalurgia lleva a cabo 10 pasos principales de tratamiento químico bajo condiciones de baja temperatura, sin procesos de alto consumo de energía y altas emisiones de carbono.
3. Sin embargo, el proceso genera una cantidad considerable de gases tóxicos y soluciones de desecho. 

Reciclaje físico directo (método de inyección): Una tecnología emergente distinta de la extracción tradicional. En lugar de descomponer el material del cátodo hasta los átomos, se preserva la estructura cristalina. Litio fresco es “inyectado” (relitificación) o la superficie es recocida para restaurar el rendimiento electroquímico. Polvo de cátodo “de grado batería” que está listo para volver a entrar en una nueva batería de inmediato, eludiendo la necesidad de re-sintetizar la estructura cristalina.

• La emisión de carbono del método de reciclaje físico directo es de 3.65 kg CO₂-eq/kWh.
• Dado que los productos del reciclaje físico directo son materiales que pueden ser utilizados directamente en la producción de baterías, se reducen los complicados pasos de reproducción de materiales y la contaminación secundaria. 
• El material rico en níquel utilizado en el proceso de reparación, como Ni_0.83Mn_0.09Co_0.08(OH)₂, Ni(OH)₂, o compuestos de litio como LiOH–Li₂SO₄ utilizados en el proceso de tratamiento térmico, y el consumo de energía son las principales fuentes de emisión de carbono.

Comparación en la reducción de emisiones de GHG en comparación con baterías no recicladas

Aunque el proceso de reciclaje de LIBs producirá emisiones de carbono, los materiales reciclados pueden ser utilizados directamente para fabricar baterías, evitando las emisiones de carbono causadas por la minería y el refinado de materias primas. Por lo tanto, los ingenieros estiman la cantidad de reducción de emisiones de GHG de las LIBs en comparación con las baterías vírgenes.

Emisión de GHG de baterías remanufacturadas con materiales reciclados por

• La pirometalurgia es de 86.86 kg CO₂-eq/kWh, que es un 4.8% más baja que la de las baterías producidas con materias primas. 
• La hidrometalurgia es de 60.77 kg CO₂-eq/kWh, que es un 33.47% más baja que la de las baterías producidas utilizando materias primas. 
• El reciclaje físico directo es de 43.92 kg CO₂-eq/kWh, que es un 51.8% más bajo que el de las que utilizan materias primas. Sin embargo, el método de reciclaje físico no es maduro en tecnología y aún se encuentra en la etapa de experimentos a pequeña escala. Desarrollar métodos de reciclaje físico eficientes y maduros para aplicaciones a gran escala es crítico para reducir las emisiones de carbono.