Millones de coches eléctricos ¿Y sus baterías?
Vienen millones de coches eléctricos. ¿Qué pasa con todas las baterías agotadas?
El paquete de baterías de un Tesla Model S es una hazaña de intrincada ingeniería.
Miles de celdas cilíndricas con componentes provenientes de todo el mundo transforman el litio y los electrones en energía suficiente para impulsar el automóvil cientos de kilómetros, una y otra vez, sin emisiones de escape. Pero cuando la batería llega al final de su vida útil, sus beneficios ecológicos se desvanecen. Si termina en un vertedero, sus células pueden liberar toxinas problemáticas, incluidos metales pesados. Y reciclar la batería puede ser un negocio peligroso, advierte la científica de materiales Dana Thompson de la Universidad de Leicester. Si se hace un corte demasiado profundo en una celda Tesla, o en el lugar equivocado, puede provocar un cortocircuito, arder y liberar humos tóxicos.
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Reciclar millones de baterías
Ese es solo uno de los muchos problemas que enfrentan los investigadores, incluido Thompson, que están tratando de abordar un problema emergente: cómo reciclar los millones de baterías de vehículos eléctricos (EV) que los fabricantes esperan producir en las próximas décadas.
Las baterías de vehículos eléctricos actuales “en realidad no están diseñadas para ser recicladas”, dice Thompson, un investigador en la Institución Faraday, un centro de investigación enfocado en problemas de baterías en el Reino Unido.
Eso no fue un gran problema cuando los vehículos eléctricos eran raros. Pero ahora la tecnología está despegando. Varios fabricantes de automóviles han dicho que planean eliminar gradualmente los motores de combustión en unas pocas décadas, y los analistas de la industria predicen que al menos 145 millones de vehículos eléctricos estarán en las carreteras para 2030, en comparación con solo 11 millones el año pasado. «La gente está empezando a darse cuenta de que esto es un problema», dice Thompson. Millones de coches eléctricos ¿Y sus baterías?
Los gobiernos están avanzando poco a poco para exigir algún nivel de reciclaje. En 2018, China impuso nuevas reglas destinadas a promover la reutilización de los componentes de la batería de los vehículos eléctricos. Se espera que la Unión Europea ultime sus primeros requisitos este año. En los Estados Unidos, el gobierno federal aún tiene que avanzar en los mandatos de reciclaje, pero varios estados, incluido California, el mercado de automóviles más grande del país, están explorando la posibilidad de establecer sus propias reglas.
Cumplir no será fácil. Las baterías difieren ampliamente en química y construcción, lo que dificulta la creación de sistemas de reciclaje eficientes. Y las células a menudo se mantienen unidas con pegamentos resistentes que dificultan su desmontaje. Eso ha contribuido a un obstáculo económico: a menudo es más barato para los fabricantes de baterías comprar metales recién extraídos que utilizar materiales reciclados.
La científica de materiales Dana Thompson desarrolla solventes para extraer metales valiosos de baterías de automóviles gastadas.
Los investigadores señalan que mejores métodos de reciclaje no solo evitarían la contaminación, sino que también ayudarían a los gobiernos a impulsar su seguridad económica y nacional al aumentar el suministro de metales clave para baterías controlados por una o unas pocas naciones. “Por un lado, [deshacerse de las baterías de los vehículos eléctricos] es un problema de gestión de residuos. Y, por otro lado, es una oportunidad para producir un flujo secundario sostenible de materiales críticos ”, dice Gavin Harper, investigador de la University of Birmingham – A leading global university que estudia cuestiones de política de vehículos eléctricos.
Para impulsar el reciclaje, los gobiernos y la industria están invirtiendo dinero en una variedad de iniciativas de investigación. El Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE) ha invertido unos $ 15 millones en un Centro ReCell para coordinar los estudios de científicos del mundo académico, la industria y los laboratorios gubernamentales.
El Reino Unido ha respaldado el proyecto ReLiB, un esfuerzo de múltiples instituciones. A medida que la industria de los vehículos eléctricos aumenta, la necesidad de progreso se vuelve urgente, dice Linda Gaines, quien trabaja en el reciclaje de baterías en el Laboratorio Nacional Argonne del DOE. «Cuanto antes podamos poner todo en movimiento», dice, «mejor».
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LAS BATERÍAS DE LOS VEHÍCULOS ELÉCTRICOS
Se construyen un poco como muñecos anidados. Por lo general, un paquete principal contiene varios módulos, cada uno de los cuales se construye a partir de numerosas celdas más pequeñas (consulte el gráfico a continuación). Dentro de cada celda, los átomos de litio se mueven a través de un electrolito entre un ánodo de grafito y una lámina de cátodo compuesta por un óxido metálico. Las baterías generalmente se definen por los metales en el cátodo. Hay tres tipos principales: níquel-cobalto-aluminio, hierro-fosfato y níquel-manganeso-cobalto.
Ahora, los recicladores apuntan principalmente a metales en el cátodo, como el cobalto y el níquel, que alcanzan precios elevados. (El litio y el grafito son demasiado baratos para que el reciclaje sea económico). Pero debido a las pequeñas cantidades, los metales son como agujas en un pajar: difíciles de encontrar y recuperar.
Nueva vida para las células gastadas
Los científicos están trabajando para garantizar que las baterías de vehículos eléctricos (EV) que se venden hoy puedan reciclarse en 2030 y más allá, cuando miles de baterías llegarán al final de sus vidas todos los días. Las baterías para vehículos eléctricos vienen en muchos diseños, pero generalmente comparten estos componentes.
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Para extraer esas agujas, los recicladores se basan en dos técnicas, conocidas como pirometalurgia e hidrometalurgia. La más común es la pirometalurgia, en la que los recicladores primero trituran mecánicamente la celda y luego la queman, dejando una masa carbonizada de plástico, metales y pegamentos. En ese momento, pueden usar varios métodos para extraer los metales, incluida la quema adicional. «Pyromet esencialmente trata la batería como si fuera un mineral» directamente de una mina, dice Gaines. La hidrometalurgia, por el contrario, implica sumergir los materiales de la batería en charcos de ácido, produciendo una sopa cargada de metal. A veces, los dos métodos se combinan.
Cada uno tiene ventajas y desventajas. La pirometalurgia, por ejemplo, no requiere que el reciclador conozca el diseño o la composición de la batería, o incluso si está completamente descargada, para poder avanzar con seguridad. Pero consume mucha energía. La hidrometalurgia puede extraer materiales que no se obtienen fácilmente mediante la quema, pero puede involucrar productos químicos que presentan riesgos para la salud. Y recuperar los elementos deseados de la sopa química puede ser difícil, aunque los investigadores están experimentando con compuestos que prometen disolver ciertos metales de la batería pero dejan otros en forma sólida, lo que facilita su recuperación. Por ejemplo, Thompson ha identificado un candidato, una mezcla de ácidos y bases llamada solvente eutéctico profundo, que disuelve todo menos el níquel.
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Ambos procesos producen una gran cantidad de desechos y emiten gases de efecto invernadero, según los estudios. Y el modelo comercial puede ser inestable: la mayoría de las operaciones dependen de la venta de cobalto recuperado para mantenerse en el negocio, pero los fabricantes de baterías están tratando de alejarse de ese metal relativamente caro. Si eso sucede, los recicladores podrían quedarse tratando de vender montones de «tierra», dice la científica de materiales Rebecca Ciez de la Universidad de Purdue. Millones de coches eléctricos ¿Y sus baterías?
Los círculos del reciclaje
La pirometalurgia quema las baterías gastadas en una escoria y la hidrometalurgia las disuelve en ácidos. Ambos tienen como objetivo extraer materiales catódicos. Lo ideal es el reciclaje directo, que recuperaría intacto el cátodo. Pero para que el reciclaje sea viable, debe ser competitivo en costos con los materiales extraídos.
LO IDEAL
Es el reciclaje directo, que mantendría intacta la mezcla de cátodos. Eso es atractivo para los fabricantes de baterías porque los cátodos reciclados no requerirían un procesamiento pesado, señala Gaines (aunque es posible que los fabricantes aún tengan que revitalizar los cátodos agregando pequeñas cantidades de litio).
«Entonces, si está pensando en la economía circular, [el reciclaje directo] es un círculo más pequeño que el pirómetro o el hidrómetro».
En el reciclaje directo, los trabajadores primero aspirarían el electrolito y triturarían las celdas de la batería. Luego, quitarían los aglutinantes con calor o solventes y usarían una técnica de flotación para separar los materiales del ánodo y del cátodo. En este punto, el material del cátodo parece talco para bebés.
Hasta ahora, los experimentos de reciclaje directo solo se han centrado en células individuales y han producido solo decenas de gramos de polvos de cátodo. Pero los investigadores del Laboratorio Nacional de Energía Renovable de EE. UU. Han construido modelos económicos que muestran que la técnica podría, si se amplía en las condiciones adecuadas, ser viable en el futuro.
Sin embargo, para realizar el reciclaje directo, los fabricantes de baterías, los recicladores y los investigadores deben resolver una serie de problemas. Una es asegurarse de que los fabricantes etiqueten sus baterías, para que los recicladores sepan con qué tipo de celda están tratando y si los metales del cátodo tienen algún valor. Dado el rápido cambio del mercado de las baterías, señala Gaines, es posible que los cátodos fabricados hoy no puedan encontrar un comprador futuro. Los recicladores estarían “recuperando un dinosaurio. Nadie querrá el producto «.
Un técnico en Alemania se asegura de que una batería de iones de litio quemada se descargue antes de continuar con el reciclaje.
Abrir las baterías
Otro desafío es abrir de manera eficiente las baterías de los vehículos eléctricos. El módulo de batería Leaf rectangular de Nissan puede tardar 2 horas en desmontarse. Las células de Tesla son únicas no solo por su forma cilíndrica, sino también por el cemento de poliuretano casi indestructible que las mantiene unidas.
Los ingenieros podrían construir robots que podrían acelerar el desmontaje de la batería, pero los problemas persisten incluso después de que ingresas a la celda, señalan los investigadores. Esto se debe a que se utilizan más pegamentos para mantener los ánodos, cátodos y otros componentes en su lugar. Un solvente que los recicladores usan para disolver los aglutinantes de cátodos es tan tóxico que la Unión Europea ha introducido restricciones sobre su uso, y la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. Determinó el año pasado que representa un «riesgo irrazonable» para los trabajadores.
“En términos de economía, tienes que desmontar … [y] si quieres desmontar, tienes que deshacerte de los pegamentos”, dice Andrew Abbott, químico de la Universidad de Leicester y asesor de Thompson.
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PARA FACILITAR EL PROCESO
Thompson y otros investigadores instan a los fabricantes de vehículos eléctricos y baterías a comenzar a diseñar sus productos teniendo en cuenta el reciclaje. La batería ideal, dice Abbott, sería como una galleta navideña, un regalo navideño del Reino Unido que se abre cuando el destinatario tira de cada extremo, revelando un caramelo o un mensaje. Como ejemplo, señala la Blade Battery, una batería de ferrofosfato de litio lanzada el año pasado por BYD, un fabricante chino de vehículos eléctricos. Su paquete elimina el componente del módulo, en lugar de almacenar celdas planas directamente en el interior. Las células se pueden quitar fácilmente a mano, sin pelear con alambres y pegamentos.
La batería Blade surgió después de que China en 2018 comenzara a responsabilizar a los fabricantes de vehículos eléctricos de garantizar que las baterías se reciclan. El país ahora recicla más baterías de iones de litio que el resto del mundo combinado, utilizando principalmente métodos pirometalúrgicos e hidrometalúrgicos.
Las naciones que se mueven para adoptar políticas similares se enfrentan a algunas cuestiones espinosas. Uno, dice Thompson, es quién debería asumir la responsabilidad principal de hacer que suceda el reciclaje. «¿Es mi responsabilidad porque compré [un vehículo eléctrico] o es responsabilidad del fabricante porque lo hicieron y lo están vendiendo?»
En la Unión Europea, una respuesta podría llegar a finales de este año, cuando los funcionarios publiquen la primera regla del continente. Y se espera que el próximo año un panel de expertos creado por el estado de California intervenga con recomendaciones que podrían tener una gran influencia sobre cualquier política estadounidense.
Mientras tanto, los investigadores del reciclaje dicen que el reciclaje efectivo de baterías requerirá algo más que avances tecnológicos. El alto costo de transportar artículos combustibles a largas distancias o a través de fronteras puede desalentar el reciclaje. Como resultado, colocar los centros de reciclaje en los lugares correctos podría tener un «impacto masivo», dice Harper. «Pero va a haber un verdadero desafío en la integración de sistemas y en unir todas estas diferentes partes de la investigación».
Hay poco tiempo que perder, dice Abbott. «Lo que no desea es la producción de una celda que sea absolutamente imposible de desmontar durante 10 años», dice. «No está sucediendo todavía, pero la gente grita y está preocupada de que suceda».
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