Reciclar baterías de iones de litio es fundamental para la sostenibilidad: una vez llegan al final de su vida útil, deben ser desechadas correctamente. En este sentido, hay ciertos aspectos técnicos a tener en cuenta para dar una «segunda vida» a este tipo de almacenadores. Vamos a ver las claves a continuación, desde la diferencia entre el procesamiento físico y químico hasta las distintas fases que se suelen dar en la reutilización de baterías.
Procesos de reciclaje para la recuperación de baterías: procesamiento físico y químico
El reciclaje de baterías de litio implica diversos procesos para recuperar los componentes de la batería y reducir la cantidad de residuos. Hay dos tipos principales de procesos: físicos y químicos.
1. Procesos físicos
Los procesos físicos son una parte fundamental del reciclaje de baterías de litio, ya que se encargan del pretratamiento de los componentes de la batería antes de llevar a cabo los procesos químicos. Estos procesos físicos se basan en la utilización de diferentes características físicas de los materiales presentes en la batería, como la densidad, propiedades magnéticas y solubilidad, para separar los materiales catódicos y anódicos de otros componentes como colectores de corriente y electrolitos.
Uno de los procesos físicos más comunes es el desmontaje de la batería, donde se separan los diferentes componentes de la batería como la carcasa, el electrolito y los colectores de corriente. Una vez separados, los componentes se trituran y se someten a un proceso de separación en el que se utilizan técnicas de flotación, separación magnética y separación por densidad para separar los diferentes materiales presentes en la batería.
En el proceso de separación, los materiales de la batería se clasifican en diferentes fracciones en función de sus propiedades físicas. Por ejemplo, el material de la carcasa se puede separar mediante la separación magnética, ya que es atraído por un imán, mientras que los materiales más pesados como los colectores de corriente se separan por densidad.
2. Procesos químicos
Los procesos químicos para el reciclaje de baterías de litio se basan en la extracción de los componentes activos de la batería a través de la utilización de disolventes, reactivos y ácidos que permiten la separación de los diferentes metales que se encuentran en la batería, como el litio, cobalto, níquel, manganeso, entre otros.
Los procesos hidrometalúrgicos son los más utilizados para el reciclaje de baterías de litio debido a su selectividad en la recuperación de metales y la reducción de emisiones de gases tóxicos en comparación con los procesos pirometalúrgicos. Dentro de los procesos hidrometalúrgicos, se utilizan distintas técnicas para la recuperación de los materiales de la batería de litio. Algunas de estas técnicas son la lixiviación ácida, la extracción con solventes, la electrodeposición y la precipitación química.
Los procesos pirometalúrgicos son una de las formas más comunes de procesamiento químico para reciclar baterías de litio. En este proceso, los componentes metálicos de la batería se recuperan mediante fusión a altas temperaturas (generalmente entre 800-1300°C), lo que permite que los diferentes metales se fundan y se separen. Los metales se recuperan en forma de aleaciones, como cobre, cobalto, níquel y hierro, que luego pueden ser refinados para obtener componentes metálicos de alta pureza.
Este proceso tiene la ventaja de ser relativamente sencillo y productivo para la recuperación de materiales metálicos, pero no es adecuado para la recuperación de materiales orgánicos. Además, la escoria resultante del proceso puede contener una variedad de componentes, incluidos metales y otros materiales, lo que puede dificultar su eliminación adecuada.
Fig. A Procesos y esquemas de reciclaje [1]
Los siete procesos para reciclar baterías de litio
Para poder reciclar las baterías de litio de manera eficiente y rentable, planteamos 7 fases clave que se adaptan a la complejidad de las pilas y a las estrategias de reciclaje de cada planta.
- Preselección: En este proceso se realiza una evaluación inicial de las baterías para determinar su estado, tamaño y tipo. También se verifica si hay baterías defectuosas o dañadas que no sean adecuadas para su reciclaje.
- Recuperación de energía: Las celdas o baterías de litio contienen energía y es importante extraerla de manera segura antes de procesar la batería para su reciclaje. En este proceso se eliminan los líquidos y los gases peligrosos que se pueden liberar al manipular la batería.
- Desmontaje: En este proceso se desmantela la batería para separar sus componentes y piezas. La mayoría de las baterías de litio se desmontan manualmente, pero algunos procesos automatizados también se están desarrollando.
- Descontaminación: Las baterías de litio contienen sustancias químicas peligrosas, como ácidos y metales pesados, que deben ser tratados con cuidado para evitar su liberación al medio ambiente. En este proceso se retiran los materiales contaminantes y se descontaminan las piezas de la batería. Incluye tratamiento criogénico, en torno a -200°C, que evita reacciones exotérmicas durante las fases posteriores del proceso de reciclado y/o tratamientos térmicos de pirólisis y calcinación para eliminar componentes orgánicos e inflamables.
- Liberación: Una vez que la batería ha sido desmontada y descontaminada, se separan sus componentes. Este proceso puede involucrar la trituración o molienda de la batería en pequeñas piezas para facilitar la separación.
- Separación: En este proceso se separan los materiales que componen la batería, como el cobalto, el níquel, el litio y el hierro. Los procesos físicos y químicos se utilizan para separar los materiales y purificarlos para su uso posterior.
- Refinación metalúrgica: Una vez separados los materiales, se refinan. Esta técnica puede ser térmica (procesos pirometalúrgicos), química (procesos hidrometalúrgicos) o incluso biológica (biometalúrgicos).
Recuperación de materiales de la batería de litio
Si comparamos los dos procesos de reciclado de baterías de litio, y analizando los pirometalúrgicos vs hidrometalúrgicos, ¿qué ventajas ofrece cada uno?
- Los métodos pirometalúrgicos son más costosos en términos de energía y materiales, pero producen metales que se pueden vender.
- Los métodos hidrometalúrgicos pueden obtener materiales de alta calidad para reutilizar en baterías nuevas, lo que los hace potencialmente más eficientes, pero son más complejos y requieren más pasos y productos químicos.
Sin embargo, los métodos hidrometalúrgicos tienen una ventaja significativa en cuanto a la recuperación de metales. Pueden recuperar hasta el 100% del litio y cobalto, el 98% del manganeso y el 75% del aluminio en forma de materiales de cátodo/ánodo listos para usarse en nuevas baterías. Con todo, esto depende de si el proceso de reciclaje es rentable en términos de costos e ingresos.
La tabla a continuación presenta varios ejemplos de metales y productos que se pueden recuperar de baterías de litio al final de su vida útil mediante diferentes procesos de reciclaje. La tabla también indica la pureza que se puede obtener de cada uno de ellos, que oscila entre el 90% y el 100%.
Fig. C: Resumen de metales y productos químicos obtenidos del reciclaje de Libs usados [3]
La tabla indica que es posible recuperar tanto metales puros (cobalto, níquel, cobre) como productos utilizables para producir nuevos materiales catódicos (carbonatos, sulfatos e hidróxidos de varios metales) de los cátodos gastados en diferentes tipos de baterías de litio, como LCO (LiCoO2), LFP (LiFePO4), LMO (LiMn2O4), NMC (LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2) y NCA (LiNi0,8Co0,15Al0,05O2), a través de procesos fisicoquímicos.
El proceso de reciclaje del futuro
El proceso de reciclaje actualmente utilizado para las baterías de litio implica obtener los elementos y compuestos básicos para la creación de nuevas materias activas a partir de una «masa negra». Esta masa negra es una pulpa de materiales catódicos y anódicos que aún deben ser refinados, lo que resulta en un desperdicio de energía y otros materiales.
Fig. D: Proceso de reciclaje real [1]
Para poder mejorar la eficiencia, el objetivo es cambiar a un proceso de «reciclado directo». Éste busca reciclar directamente los materiales activos tanto como sea posible, evitando la transformación en masa negra y la necesidad de refinación y resintetización de los materiales del cátodo y ánodo. Este proceso también implica la implementación de sistemas de recogida basados en la salud de los módulos y células, lo que facilita y agiliza la fase de selección.
Además, el diseño mecánico de las baterías se realizará teniendo en cuenta el desmontaje que tendrá lugar al final de su vida, lo que facilitará el desmontaje en el proceso de reciclaje. Los materiales activos serán recuperados y regenerados en la medida de lo posible, y solo la parte no regenerable se someterá a transformación en componentes primarios.
En comparación con el proceso actual, el reciclado directo resulta en una mayor eficiencia energética y una reducción significativa de residuos. Los materiales regenerados pueden reutilizarse en el nuevo ciclo de producción de células, iniciando el ciclo de nuevo.
Fig. E: Futuro proceso de reciclaje [1]
Para lograr una valorización óptima en el proceso de reciclaje, es importante seleccionar con precisión los materiales a reciclar y su química específica. Para lograrlo, se necesita mejorar la trazabilidad de las células mediante tecnologías como etiquetas y RFID, que identifiquen de forma única su composición y estado de vida. Sin embargo, el proceso de reciclaje se ve desafiado por la disminución constante de los costos de las células, lo que requiere procesos de reciclaje más convenientes y eficientes.
Actualmente, existen diferentes procesos de reciclaje especializados en un tipo de batería para lograr altas eficiencias.
- Los procesos de Umicore y Sumitomo-Sony permiten productos que se pueden mezclar con materiales vírgenes para usar en baterías nuevas sin sacrificar su calidad final.
- El proceso Recupyl , además de cobalto, permite recuperar cátodos LiFePO 4 y electrolito LiPF 6
- Los procesos Umicore-Valéas y Sumitomo-Sony no logran recuperar electrolitos, plásticos, materiales orgánicos, metales y grafito para uso directo pero son parcialmente utilizados como subproductos para la industria de la construcción, devaluando así su valor.
Actualmente, el reciclaje de baterías de LiFePO 4 y LiMn 2 O 4 es limitado debido a su bajo valor de mercado, pero estos productos químicos están siendo cada vez más utilizados en la industria energética. A medida que aumenta la producción de baterías de LiFePO 4, se espera que también aumente su reciclaje y se reduzcan los costos. Además, este tipo de baterías es más seguro que otros materiales y se espera que su uso se expanda en el futuro.
Fig. F: Pronóstico de cuota de mercado de química de baterías, 2015 – 2030 [4]
Batería de litio Second Life: una solución combinable con un reciclaje que no debe subestimarse
Cada vez más estudios hablan de dar una segunda vida a las baterías de litio que han llegado al final de su vida útil en los vehículos eléctricos. Esta solución implica recuperar y reutilizar la batería gastada para otros fines, como el almacenamiento de energía, antes de reciclarla.
La reutilización prolonga la vida útil total de la batería y reduce el impacto ambiental de la producción, el reciclaje y la eliminación. Dependiendo del tipo de uso, la segunda vida de una batería puede durar incluso más de 10 años.
En general, la práctica de Second Life puede prolongar la vida útil total de la batería y reducir su impacto ambiental, pero su viabilidad depende de la aplicación específica y de la uniformidad de las baterías en el mercado.
En el sector automotriz, las baterías se producen en grandes volúmenes y son más uniformes, lo que facilita la reutilización de las baterías al final de su vida útil para otros fines.
¿Baterías de litio NCPOWER? Cada vez más atentos al tema del reciclaje y la sostenibilidad
En NCPOWER nos enfocamos en la sostenibilidad en todos los aspectos de nuestra visión corporativa, desde la eficiencia energética de nuestra planta hasta el diseño de nuestras baterías.
El departamento de Investigación y Desarrollo es fundamental en esta estrategia, no solo para anticiparse a las necesidades de los clientes con productos innovadores, sino también para encontrar soluciones más amigables con el medio ambiente.
NCPOWER utiliza la química LFP en sus baterías, que es segura, estable y completamente libre de cobalto, un material que tiene un gran impacto ambiental. Además, el departamento de Investigación y Desarrollo está estudiando activamente procesos de producción y materiales más ecosostenibles, para optimizar los distintos pasos de producción y el diseño de las baterías.
Sabemos que hay mucho camino por delante, pero NCPOWER confía en que la inversión en materiales y habilidades dirigidas a la eficiencia y la sostenibilidad puede hacer una gran contribución en el camino hacia una sociedad verde.
Bibliografía
[1] https://battery2030.eu/wp-content/uploads/2022/07/BATTERY-2030-Roadmap_Revision_FINAL.pdf
[2] https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/cs /c8cs00297e/
[3] https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2018.07.116
[4] Servicio de almacenamiento de energía de Wood Mackenzie
