Energía
Abordando el dilema de las baterías de iones de litio: Eliminación de celdas de batería defectuosas en un mundo cada vez más electrificado
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Es un hecho bien conocido que la quema de combustibles fósiles afecta nuestro medio ambiente. Además de carbono, estos combustibles también contienen hidrógeno, nitrógeno y azufre. Cuando se queman, los combustibles fósiles liberan una mezcla de monóxido de carbono, dióxido de carbono y agua, junto con óxidos de nitrógeno y azufre. Estas sustancias, particularmente tóxicas en altas concentraciones, representan graves amenazas para la salud y la seguridad. De manera significativa, la emisión de dióxido de carbono es un importante contribuyente al calentamiento global, subrayando el impacto ambiental de la combustión de combustibles fósiles.
La necesidad de alejarse de los combustibles fósiles ha provocado un aumento exponencial de la demanda de baterías. Reflejando esta tendencia, los investigadores proyectan que el tamaño del mercado global de baterías crecerá de US$112 mil millones en 2021 a US$424 mil millones en 2030. El mercado abarca varias categorías de baterías, como iones de litio, óxido de zinc-manganeso, plomo-ácido, níquel-metal hidruro, níquel-cadmio, sodio-azufre, níquel-zinc, plomo-ácido sellado pequeño, baterías de flujo, entre otras.
Sin embargo, las baterías de iones de litio y plomo-ácido constituyen la mayor parte de este panorama del mercado de baterías, dejando una larga cola para las demás categorías.
Si observamos el tamaño del mercado de US$424 mil millones para 2023, más de US$257 mil millones, más del 60 % del mercado total de baterías, estarán ocupados por baterías de iones de litio. Más de US$121 mil millones, el 27 % del mercado, estarán ocupados por baterías de plomo-ácido. Estas dos categorías juntas ocupan más del 87 % del mercado, dejando casi un 13 % para que el resto de las categorías compitan.
¿Dónde se despliegan estas baterías?
Las baterías de iones de litio se encuentran comúnmente en la mayoría de los dispositivos electrónicos portátiles de consumo a nuestro alrededor, incluidos teléfonos móviles y portátiles. También son la opción principal para la mayoría de los vehículos totalmente eléctricos y los híbridos enchufables (PHEV), que están ganando tracción a un ritmo significativamente rápido.
Las baterías de plomo-ácido, por otro lado, no son tan eficientes como las baterías de iones de litio. Tienen baja energía específica, no funcionan bien en condiciones de bajas temperaturas y tienen un ciclo de vida más corto. Su uso generalizado se debe principalmente a su bajo costo. Sin embargo, actualmente se está desarrollando baterías de plomo-ácido avanzadas para su uso en vehículos comerciales impulsados eléctricamente para cargas auxiliares.
Las baterías de níquel-metal hidruro se utilizan en ordenadores y equipos médicos y también son significativas en vehículos eléctricos híbridos. Con el aumento constante en el uso de dispositivos electrónicos y el incremento constante de la cuota de mercado de los vehículos eléctricos, el uso de baterías está destinado a aumentar inevitablemente.
Sin embargo, estas baterías tienen una vida útil limitada y eventualmente deben ser desechadas. Esto presenta un desafío en un mundo cada vez más electrificado: la eliminación de celdas de batería defectuosas. Existen soluciones, pero antes de explorarlas más a fondo, es crucial examinar la causa raíz con mayor profundidad.
Vida útil de la batería: Una breve visión general
Las baterías pueden diferir en su capacidad, lugar de uso y material del que están compuestas. Cada factor juega un papel en cuánto tiempo debe durar una batería. La categoría de baterías más popular es la de iones de litio. Y los vehículos eléctricos son la categoría de uso que despliega estas baterías a gran escala.
Las baterías que utilizan los vehículos eléctricos se asemejan a las que usamos en nuestros móviles y portátiles. Tienen muchas ventajas, incluyendo alta energía por unidad de masa y volumen en comparación con otros sistemas de almacenamiento de energía eléctrica, alta relación potencia‑peso, alta eficiencia energética, rendimiento eficiente a altas temperaturas, larga vida útil y baja autodescarga.
Las baterías de los vehículos eléctricos utilizan paquetes que consisten en más de dos mil celdas individuales de iones de litio trabajando en conjunto. Cada paquete de batería está construido con la capacidad de mantener su capacidad de carga y descarga durante entre 100,000 y 200,000 millas. Y cuando se mide en años, la mayoría de las baterías de vehículos eléctricos tienen una expectativa de vida de 15 a 20 años dentro del coche.
Los riesgos de desechar celdas de batería defectuosas
Según la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos, la mayoría de las baterías de iones de litio calificarían como residuos peligrosos bajo la Ley de Conservación y Recuperación de Recursos (RCRA). Una vez desechadas, estas baterías a menudo son inflamables y reactivas. A pesar de parecer completamente descargadas y desechables para el usuario, las baterías de iones de litio frecuentemente retienen cargas significativas, lo que representa un peligro.
Además, las baterías de litio dañadas y no completamente selladas pueden ser extremadamente peligrosas si entran en contacto con agua durante su eliminación. El contenido metálico significativo en las baterías de iones de litio, que es difícil de eliminar y dañino para el medio ambiente, aumenta la preocupación.
Un informe de evaluación científica ha destacado que las baterías de iones de litio contienen altas concentraciones de aluminio, cobalto y cobre. Estudios adicionales revelan la naturaleza peligrosa de las baterías de iones de litio defectuosas debido a su contenido de plomo (promedio 6,29 mg/L; σ = 11,1; límite 5).
Según las regulaciones de California, la presencia de niveles excesivos de cobalto (promedio 163.544 mg/kg; σ = 62.897; límite 8.000), cobre (promedio 98.694 mg/kg; σ = 28.734; límite 2.500) y níquel (promedio 9.525 mg/kg; σ = 11.438; límite 2.000) califica a todas las baterías de litio como peligrosas.
Las concentraciones lixiviadas de cromo, plomo y talio en estas baterías también superan los límites de la regulación de California. Además de impartir toxicidad a los humanos y a la ecología que nos rodea, las baterías de iones de litio también provocan la agotamiento de recursos, una grave preocupación para nuestro futuro.
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¿Cómo reciclar celdas de batería defectuosas?
Los peligros que plantea la eliminación de celdas de batería defectuosas requieren reciclaje. Sin embargo, reciclar una batería defectuosa puede ser peligroso. El manejo inadecuado de celdas de batería defectuosas puede provocar cortocircuitos, combustión y liberar gases tóxicos.
La clave radica en métodos de reciclaje eficientes, que no solo podrían prevenir la contaminación sino también generar oportunidades para crear una corriente secundaria sostenible de materiales críticos. Un método eficiente para el reciclaje de baterías de iones de litio ha sido ideado por investigadores que trabajan en la Biblioteca Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía.
La solución implica sumergir la batería gastada en una solución de ácido cítrico de origen natural, presente orgánicamente en los cítricos. La solución de ácido cítrico se disuelve en etilenglicol, y la mezcla ayuda a llevar a cabo un proceso de separación y recuperación altamente eficiente para separar los metales del cátodo, el electrodo cargado positivamente de la batería.
Un proceso de recuperación eficiente para el cátodo significa costos de batería reducidos, ya que el cátodo contribuye con más del 30 % del costo de la batería, debido a su posesión de materiales críticos. El método de reciclaje podría lixiviar casi todo el cobalto y el litio del cátodo sin contaminar el sistema. Puede recuperar más del 96 % del cobalto en horas. No es necesario añadir más químicos en un esfuerzo por equilibrar manualmente los niveles de ácido.
Según Lu Yu, el investigador principal del proyecto:
“This is the first time one solution system has covered the functions of both leaching and recovery.”
Esta es la primera vez que un sistema de solución cubre las funciones tanto de lixiviación como de recuperación.
Además de estos esfuerzos de investigación basados en laboratorio, que se escalarán a producción en el futuro, varias empresas ya han asumido la tarea de reciclar baterías de iones de litio defectuosas y desechadas. Observaremos algunas de ellas en los siguientes segmentos.
1. American Battery Technology Company
The American Battery Technology Company (ABAT ) ha desarrollado un closed-loop battery recycling process para separar y recuperar materiales críticos de baterías que se acercan al final de su vida útil. Sin embargo, sus esfuerzos no se detienen en la separación y recuperación.
El proceso implica purificar estos metales de batería a las mismas o superiores especificaciones de calidad. Según la empresa, su sistema cuenta con múltiples ventajas competitivas. Su diseño estratégico garantiza cero operaciones a alta temperatura y previene emisiones de contaminantes en el aire y el líquido. Además, las instalaciones de reciclaje igualan el rendimiento de las instalaciones de fabricación, generando residuos mínimos y requiriendo bajos costos de capital para su puesta en marcha.
ABAT Gráfico de precios
El primer trimestre del informe financiero 2024, según lo publicado por la empresa, enumeró sus hitos clave hacia operaciones generadoras de ingresos. Notablemente, la empresa ha diseñado, puesto en marcha e iniciado operaciones en su primera instalación de reciclaje a escala comercial, con un rendimiento nominal de 20.000 toneladas métricas por año.
La empresa también aseguró dos subvenciones del DOE de EE. UU. bajo contrato y recientemente se volvió elegible para dos subvenciones adicionales, sumando US$70 millones en fondos federales contratados. Listó exitosamente sus acciones y comenzó a cotizar en Nasdaq el 21 de septiembre de 2023.
Al momento de escribir, el precio de la acción de American Battery Technology Company era $3.99 y tenía una capitalización de mercado de más de $188 millones.
2. Lithion Technologies
Lithion Technologies produce de manera sostenible materiales estratégicos a partir de baterías de iones de litio. Su tecnología es capaz de recuperar hasta el 95 % de los componentes de estas baterías.
En la extracción mecánica, Lithion puede recuperar más del 98 % del concentrado de minerales. El concentrado de minerales críticos se procesa luego mediante su tecnología patentada de hidrometalurgia. Este proceso permite la recuperación de materiales esenciales como litio, cobalto, níquel, grafito y manganeso.
Notablemente, Lithion afirma que sus tecnologías generan un impacto ambiental significativamente menor en comparación con la extracción minera tradicional. Sus emisiones de gases de efecto invernadero son un 75 % menores que las de la extracción minera, y además reduce el uso de agua en un impresionante 90 %.
En abril de 2022, Lithion recibió $22.5 million dollars de financiación del gobierno de Quebec, incluyendo una inversión de capital de 15 millones a través de Investissement Québec y $7.5 millones en subvenciones del Fonds d’électrification et de changements climatiques.
3. Ecobat
Ecobat opera a través de una extensa red de 65,000 puntos de recolección para gestionar baterías al final de su vida como parte de sus soluciones de reciclaje de almacenamiento de energía. Hasta ahora ha reunido cerca de 15,000 miembros o clientes, reciclando 120 millones de baterías al año.
Para la recolección de los puntos designados, Ecobat cuenta con su propia flota de 100 vehículos. Con 11 instalaciones de fundición, maneja baterías de litio, baterías de plomo y otras químicas de baterías. Ecobat también tiene un proceso de recuperación circular de circuito cerrado, donde el 80 % de su recuperación vuelve a la fabricación de baterías. También promete un porcentaje de reciclabilidad del 99 %.
Ecobat se proclama como el mayor ‘reciclador’ de baterías del mundo que satisface las necesidades esenciales de almacenamiento de energía al hacer el negocio de baterías más seguro y sostenible para una economía energética circular. En 2021, el negocio de reciclaje de baterías de plomo de Ecobat recicló 70 million car batteries completamente.
4. Cirba Solutions
Cirba Solutions cuenta con 60 años combinados de experiencia en reciclaje con tres marcas: Battery Solutions, Heritage Battery Recycling y Retriev Technologies bajo su ámbito. Es uno de los pioneros en el reciclaje de baterías de litio con su propio equipo de reciclaje de baterías, logística centrada en baterías, ciclo de vida de circuito cerrado y instalaciones de procesamiento de litio.
La empresa tiene un proceso de reciclaje especializado que involucra soluciones de química cruzada para componentes tanto basados en cobalto como sin cobalto. Hasta la fecha, ha procesado más de 36 million pounds de iones de litio durante más de 30 años.
Según los datos más recientes disponibles, Cirba recaudó US$50 million en su última ronda corporativa el 9 de febrero de 2023.
Eliminación de celdas de batería defectuosas: El alcance futuro
La presencia de baterías de iones de litio, esenciales para impulsar vehículos eléctricos y alimentar la electrónica de consumo moderna, solo se volverá cada vez más ubicua. Estadísticamente, entre 2022 y 2030, la demanda global de baterías de iones de litio aumentará casi siete veces, alcanzando 4.7 TWh en 2030.
En cuanto a producción, China domina más de tres cuartas partes de la capacidad mundial. Norteamérica y Europa no se quedarán atrás por mucho tiempo, ya que también están considerando un aumento significativo en la producción. Por eso se requerirán esfuerzos globales consolidados y bien coordinados para garantizar que el reciclaje de baterías se convierta en un proceso accesible y sostenible, y solo entonces podremos salvar al mundo de los riesgos de contaminación y agotamiento de recursos.
China, por ejemplo, responsabiliza a los fabricantes de automóviles del “tratamiento de fin de vida” de las baterías de los vehículos. La Unión Europea no se queda atrás, ya que también ha establecido normas para la recolección y recuperación de baterías.
Cada vez más innovaciones en aplicaciones de segunda vida de estas baterías ayudarán a evitar los peligros inminentes del reciclaje ineficiente. Terminemos mirando un ejemplo de ello. Un sistema de almacenamiento de energía en la Johan Cruijff Arena, Ámsterdam, aprovecha el equivalente a 148 baterías Nissan LEAF nuevas y usadas para capturar energía de 4.200 paneles solares y almacenar hasta 3 megavatios de potencia. Esta captura es suficiente para cargar medio millón de iPhones como respaldo.
En conclusión, alcanzar los objetivos a escala global requiere la participación activa de todos. Las empresas automotrices, los fabricantes de electrónica de consumo, los organismos económicos globales, los consejos de naciones, todos deberán prestar su voz al reciclaje y recuperación sostenible y eficiente de celdas de batería defectuosas.
