¿Se pueden reciclar las pilas de litio 100%? Reciclado y reutilización de pilas de litio

En este artículo, explicamos principalmente el reciclaje de baterías de litioy la reparación, refabricación y reutilización (segunda vida) de las baterías de iones de litio. La batería de plomo-ácido está bastante madura en la tecnología de reciclaje y la industria de las baterías de desecho, mientras que la batería de iones de litio se encuentra todavía en la fase primaria.

No existen requisitos ni normativas de reciclaje para las baterías de iones de litio. La reutilización de las baterías de iones de litio aún está en pañales. Debido a que las distintas batería tiene características y estructuras de módulo diferentes, es muy difícil hacer coincidir módulos o células diferentes para su utilización secundaria.

Además, a medida que disminuye el precio de la batería de litio, por ejemplo, el Departamento de Energía de EE.UU. y la Us Advanced Battery Alliance fijan el objetivo de precio de la batería de iones de litio en $100 y $150 por kWh respectivamente, lo que hará que el reciclaje de la batería de litio no tenga suficiente valor económico.

Sin embargo, con las actuales tendencias de precios, pasará algún tiempo antes de que eso ocurra, por lo que el reciclaje de baterías de litio es viable a corto plazo. Desde la perspectiva de los recursos, el reciclaje y la reutilización de las baterías de litio es la única vía para el desarrollo sostenible de la industria de las baterías de ión litio y la industria del vehículo eléctrico/almacenamiento de energía).

A pesar de la falta de normas de reciclado, el número de baterías de iones de litio en el mercado sigue siendo reducido. A pesar del buen rendimiento de los vehículos eléctricos en los últimos años, que dependen en gran medida de las baterías de iones de litio, las pilas que utilizan están aún en las primeras fases de su vida útil, lo que significa que pueden pasar cinco años o más antes de que se desguacen, reciclen o vuelvan a fabricarse para su reutilización.

Aunque las baterías de iones de litio se encuentran en la fase inicial de su aplicación comercial, todavía existen en el mercado algunas baterías en fase de reciclado.

Las baterías de iones de litio están empezando a utilizarse, y hay muchas baterías nimH que van a ser desechadas, lo que está impulsando a algunos fabricantes a crear infraestructuras para el reciclaje y la reutilización de baterías. Esto también puede aportar experiencia para el reciclaje de baterías de litio en el futuro.

La propuesta de valor para el reciclaje de baterías de litio no es muy buena, sobre todo cuando se trata de reutilizarlas. Pero es concebible que, al igual que las baterías de plomo-ácido, el precio de las baterías de iones de litio para coches en el futuro incluya una parte de su "valor potencial" (que puede interpretarse como el valor de la batería al final de su vida útil).

En esencia, esto representa el rendimiento que los clientes esperan del final de la vida inicial de la batería. Los propietarios de automóviles tienen la misma idea cuando instalan baterías de plomo para arrancar sus coches.

En el futuro, este podría ser un modelo de negocio interesante para fabricantes y distribuidores: por ejemplo, el fabricante podría deducir este "valor potencial" para rebajar el precio de la batería, pero sólo con un acuerdo con el cliente de que la batería se devolvería al distribuidor al final de su vida útil.

Para hacer un buen trabajo de reciclaje y reutilización de baterías de litio, sobre todo en las primeras fases del producto, la planta de reciclaje tenía que cumplir las 4R resumidas por los expertos del sector, que significaban reparar, refabricar, renovar y reutilizar. Junto con la batería original Reciclaje.

Ahora las plantas de reciclaje se enfrentan a muchos problemas. Uno de ellos son las cuestiones legales que surgen cuando se reciclan productos para su refabricación. Cuando una batería falla tras su remanufacturación y reutilización, ¿quién asume la garantía? ¿El fabricante original de la batería, la planta de reciclaje o el usuario de la batería?

Por lo tanto, tratar adecuadamente las cuestiones legales en el proceso de reciclaje favorece un proceso fluido de reciclaje de baterías de litio.

Reciclaje y reutilización de pilas de litio:Mantenimiento y refabricación

La reparación y la refabricación de baterías suelen pasarse por alto en el proceso de reciclaje, pero en realidad son los dos aspectos más importantes de la industria de servicios de baterías. Algunos grandes fabricantes de coches eléctricos cuentan con bases de sobra para el servicio posventa, pero las empresas más pequeñas y los fabricantes de baterías no.

Por lo tanto, la formación de una buena industria de servicios posventa puede proporcionar garantía, mantenimiento y otros servicios a la industria de baterías. También podría ayudar a algunas empresas a reducir la inversión en negocios de posventa y concentrarse en áreas en las que están especializadas.

El mantenimiento y el servicio posventa también se enfrentan a muchos problemas, como la necesidad de mantener una cierta cantidad de existencias. Las baterías dañadas o parcialmente inválidas se transfieren a la fábrica de servicio y reparación de baterías, para que las baterías reciban cargas y descargas regulares, y consolidar aún más la estabilidad del ciclo de la batería.

Las baterías de iones de litio, por ejemplo, tienden a perder capacidad. Para evitar la pérdida permanente de capacidad, es necesario cargarlas y descargarlas con regularidad, lo que puede hacerse fácilmente en las fábricas de mantenimiento posventa.

Reciclaje y reutilización de pilas de litio: Limpieza, reutilización y segunda vida

Aun así, el reciclaje y la reutilización de las baterías de litio son prometedores, y el uso de materiales reciclados puede reducir costes. Al diseñar una batería, la mayoría de los fabricantes definen la primera vida útil como el momento en que la capacidad y la potencia de la batería decaen hasta 80% del valor inicial.

Por ejemplo, el pack de baterías del NISSAN LEAF tiene una capacidad total de 24kWh, y su primera vida útil termina cuando alcanza una capacidad de 80%, es decir, unos 19,2kWh. En este momento, la energía de carga completa del pack de baterías es de 19,2 KWH, y la descarga sólo utiliza 80%, es decir, unos 15kwh de energía disponible.

Si un módulo de una batería se desmonta, se limpia y se vuelve a instalar en otro módulo, puede seguir proporcionando una capacidad de batería baja durante varios años.

En la actualidad, el espinoso problema del reciclaje y la reutilización de las baterías de litio es que no existe una norma para las celdas de las baterías. Los distintos fabricantes producen pilas diferentes y los distintos módulos necesitan pilas diferentes. Cada célula tiene un sistema químico distinto, lo que dificulta mucho la reutilización de los distintos módulos.

Además, muchos fabricantes de baterías de ión-litio sueldan las celdas en el módulo, lo que hace casi imposible cambiar las celdas dentro de la batería, y todo el módulo se utiliza o se recicla.

Al principio del proceso de segunda vida de la batería y de la cadena de valor de la batería, la energía de la batería decae a 80% de la energía total. Como se muestra en la figura siguiente, la cadena de valor de la segunda vida de la batería, al final de su primera vida, será retirada del vehículo eléctrico por el centro de servicio de baterías y transferida a la planta para su reciclaje y reutilización.

Una vez evaluada la batería y comprobados sus niveles de capacidad, tensión y rendimiento operativo, se procede a desmontarla y a trasladar sus distintos componentes (plásticos, metales, etc.) a distintas líneas de reciclado. Se desmonta el módulo y se caracteriza y prueba la célula.

Si los módulos están soldados entre sí, la prueba se representará directamente. Si los dos módulos no cumplen las normas mínimas de rendimiento, se enviarán directamente al lugar de reciclaje. Si es así, la batería se divide en diferentes grupos en función de su capacidad y se vuelve a ensamblar para comenzar la segunda vida de la batería.

Quizá una de las cosas más importantes que hay que hacer cuando se reutiliza una célula o módulo de batería de iones de litio es caracterizarla. La capacidad y energía globales de un pack de baterías están limitadas por la célula con menor energía y capacidad del pack.

Del mismo modo, cuando las celdas y los módulos se vuelven a ensamblar, el rendimiento final del paquete de baterías está limitado por la celda de menor rendimiento, por lo que es deseable que las celdas del módulo sean casi iguales en tensión y capacidad. Por otro lado, los módulos y las celdas de la batería deben coincidir en función de criterios de envejecimiento.

Una célula de menor capacidad reduce la capacidad final del pack de baterías, mientras que una mayor vida útil de la célula o el módulo limitará la vida útil del nuevo pack de baterías. Por lo tanto, es necesario tener en cuenta no solo la coincidencia de capacidad, sino también la coincidencia del estado de salud de la célula (SOH) a la hora de evaluar la vida secundaria de la célula y el módulo.

La misma regla se aplica a los paquetes de baterías: no se puede ensamblar una célula o módulo 70% sano con un paquete de baterías 100% sano. Por ejemplo, en un pack de baterías, si añades un módulo 70% sano a un pack de baterías 90% sano, el módulo con peor estado de salud fallará primero y, por tanto, destruirá los demás módulos: la vida útil de la batería viene determinada teóricamente por la peor célula o módulo.

Por lo tanto, al montar o volver a montar un módulo, lo mejor es elegir una célula o módulo con la misma capacidad y estado de salud.

Más allá de esto, quizá los dos mayores problemas a los que se enfrentan el reciclaje y la reutilización de baterías de litio en la actualidad son el abastecimiento de baterías y los costes de reacondicionamiento. Como el número de vehículos eléctricos sigue siendo pequeño y las ventas son limitadas cada año, no hay suficientes baterías para reparar y reutilizar.

También es imposible predecir cuántas baterías llegarán al mercado del reciclaje cada año, porque aún se desconoce la vida útil de los coches eléctricos en funcionamiento y el final previsto de su vida útil aún está lejos. En 2014, los coches eléctricos Chevrolet Volt y Nissan Leaf solo tenían cuatro años, y aún necesitaban entre cuatro y seis años para alcanzar el periodo de garantía.

Suponemos que el periodo de garantía es el mismo que la primera vida útil de la batería. A medida que nuevos modelos de vehículos eléctricos sigan entrando en el mercado, el número de baterías que necesiten ser reparadas o recicladas aumentará constantemente. Pero todavía hay muy pocas baterías que hayan entrado en la fase de reciclaje.

El coste de limpieza de las baterías es también un problema de cuello de botella en la industria del reciclaje y la reutilización de baterías de litio. La limpieza de baterías tiene en cuenta el transporte de un vehículo eléctrico a un taller de reparación, las pruebas, la refabricación y el nuevo montaje, así como los costes no relacionados con el mantenimiento, las garantías y los márgenes de beneficio.

En la actualidad, sólo un pequeño número de baterías ha entrado en el mercado de la reutilización, y los costes de no mantenimiento de las baterías son relativamente altos, y se pagan a plazos, por lo que el coste inicial es muy elevado. Aunque es más barato que comprar pilas nuevas, sigue siendo un gasto importante, a menos que el número de pilas aumente considerablemente.

Cooperación en el reciclado de baterías de litio

Algunos fabricantes de automóviles ya colaboran con empresas de reciclaje y reparación de baterías de litio para reutilizar las baterías que han pasado las pruebas iniciales. GM y Nissan ya tienen una asociación similar.

En 2012, GM se asoció con ABB para reensamblar el paquete de baterías del Chevrolet Volt y dotar al coche de dos horas más de energía, y también están utilizando la tecnología en una serie de redes eléctricas y dispositivos estacionarios de almacenamiento de energía.

Del mismo modo, la empresa conjunta 4R Energy Recycling de Nissan Motor Co. con Sumitomo Corp. 4R pretende integrar la energía solar para suministrar energía estable y renovable a la red utilizando una red eléctrica a gran escala.

Algunas universidades también han creado proyectos de demostración de primera y segunda vida para sistemas de almacenamiento de energía. Además de construir el mayor programa de pilas de combustible, una instalación de almacenamiento de energía solar de 30 kW y otra de baterías de flujo líquido, la Universidad de California en San Diego ha añadido recientemente un programa de subbaterías de alto contenido en litio, que incluye el Programa de Segunda Vida de baterías de iones de litio. El proyecto proporciona pruebas de durabilidad de baterías de segunda vida para vehículos eléctricos.

En la actualidad, sólo hay un puñado de empresas dedicadas al reciclaje, reparación, refabricación y limpieza de baterías de litio 4R, entre ellas Spiers New Technologies, filial de ATC New Technologies.

Spiers New Technology se dedica principalmente al mantenimiento y limpieza de sistemas y módulos de baterías de alta tensión, logística de retorno de paquetes de baterías de alta tensión del fabricante al comerciante, análisis del grado de las células, refabricación de células y correspondencia secundaria, mercado de baterías de vida secundaria de distintos grados y preparación para el reciclado de baterías de litio.

Sybesma's Electronics trabaja con baterías de iones de litio similares llamadas 4R. Sybesma's, originalmente una empresa de reparación y reparación de vehículos eléctricos y productos electrónicos, ahora también ofrece servicios de reciclaje, limpieza y reparación de baterías de níquel y baterías de litio.

Las dos empresas han creado una industria de actividades de segunda vida en EE.UU., como el reciclaje, la reparación y la limpieza de baterías de litio. Si las normativas gubernamentales pueden orientar el reciclaje y la reutilización de las baterías de litio, las plantas de reciclaje de baterías de litio se desarrollarán de forma más saludable.

Reciclado y refabricación de pilas de litio

Las pilas y baterías de iones de litio contienen una gran variedad de materiales reciclables, como litio, cobalto, manganeso, níquel, cobre, acero y plásticos. Sin embargo, no existen incentivos ni normativas que animen a las empresas a recuperar las baterías, y el mercado no es eficiente para la inversión de capital.

Como resultado, muchos fabricantes de pilas y baterías están tomando cartas en el asunto, dejando en manos de otras empresas especializadas el reciclado de las pilas de litio, como el reciclado de los componentes de la pila, e incluso de la pila completa.

El reciclado de los metales preciosos de las pilas de iones de litio requiere una gran cantidad de energía, y el valor de los materiales recogidos no puede cubrir el consumo del proceso de reciclado. Los métodos desarrollados actualmente, como la extracción de metales preciosos a alta o baja temperatura, pueden separar eficazmente los componentes de las pilas.

A altas temperaturas, la pila se funde y los materiales que la componen se separan. El cobalto, el níquel y el cobre pueden recuperarse en este proceso, mientras que el litio, el aluminio, el estaño y el manganeso se separan mediante escorias, que siguen consumiendo mucha energía tras ser refinadas.

Algunos de los materiales reciclados pueden ser refinados y utilizados en baterías, mientras que otros no son lo suficientemente buenos para ser utilizados en baterías, pero pueden ser utilizados en otras aplicaciones.En el método de reciclaje de baterías de litio a baja temperatura, el material se separa inicialmente a través de una serie de filtraciones y oscilaciones después de que la célula se congela profundamente y se tritura.

El procesado a baja temperatura tiene un menor consumo de energía que el procesado a alta temperatura, pero es necesario probar y evaluar la calidad del material para determinar si puede utilizarse en el campo de las baterías. Si no es así, el material sólo puede utilizarse en otros campos o simplemente reciclarse.

El tercer método de reciclaje de baterías de litio es la separación física. En el caso de los sistemas de batería simple, como el fosfato de litio y hierro, el óxido de litio y cobalto, el óxido de litio y manganeso y los sistemas ternarios, el procesamiento manual, aunque ineficiente, puede volver a entrar en la cadena de valor de la batería con electrolito, material negativo e incluso material positivo, y el resto del material se recicla.

Uno de los retos del reciclaje de baterías de litio es distinguir entre sistemas y materiales de baterías de litio. Hay muchos informes sobre el reciclaje de baterías de litio utilizando el principio de reciclaje de baterías de plomo-ácido. Esto no es una buena idea. Mezclar los dos tipos de baterías puede provocar incendios.

Por eso es importante etiquetar las baterías de iones de litio desde el principio, y la Sociedad de Ingenieros de Automoción ha desarrollado algunas normas para el reciclaje y etiquetado de baterías de litio. Con el aumento del reciclaje de baterías de litio, es cada vez más importante establecer normas para la seguridad de las fábricas y los operadores de reciclaje de baterías de litio.

Otro tema que merece la pena tratar en el reciclaje de baterías de litio es cómo encontrar materiales valiosos en el proceso de reciclaje. El valor del reciclaje de baterías de litio está directamente relacionado con el valor del material.

El níquel y el cobalto de las baterías de iones de litio tienen un precio más alto y un mayor valor de recuperación, mientras que el fosfato de hierro y litio o el manganeso tienen un precio más bajo, por lo que no merece la pena gastar altos costes en recuperar materiales de poco valor. El reciclaje de baterías de litio sólo resulta económico si el valor del material reciclado es superior al coste del proceso de reciclaje e inferior al coste del material nuevo.

Hay dos empresas en el mundo que han invertido mucho dinero en el reciclaje de baterías de litio. Umicore, una empresa global de materiales, es líder en la industria del reciclaje de baterías de litio. La empresa ha realizado grandes inversiones en plantas de Alemania y Bélgica y se dispone a seguir expandiendo la industria del reciclaje de baterías de litio.

En Estados Unidos, el Departamento de Energía va a conceder a Toxco $9,5 millones para ampliar la industria de reciclado de baterías de litio en Ohio, que ya cuenta con plantas de reciclado de baterías de plomo-ácido y de níquel-hidruro metálico para vehículos eléctricos. Toxco es también líder del mercado de reciclado de baterías en Norteamérica.

En la actualidad, estas dos empresas son líderes en la industria del reciclaje de baterías de litio y se encuentran en una posición favorable en la futura industria del reciclaje de baterías de litio.