¿Cuáles son los principales procesos de reciclaje de baterías?

Para lograr que se asiente como una de las industrias del futuro, es imprescindible que el sector del almacenamiento de energía garantice su sostenibilidad y circularidad; algo que pasa por el desarrollo de métodos de reciclaje de las baterías.

Uno de los principales focos de investigación dentro de la industria se centra en el avance de nuevos métodos que permitan impulsar el reciclaje de las baterías. Sobre todo, teniendo en cuenta el valor de mercado que se espera que alcance esta industria en los próximos años, lo que supondrá un incremento en la demanda y necesidades asociadas al reciclaje de baterías.

No en vano, se espera que en el año 2030 la demanda de baterías supere los 3.200 GWh en todo el mundo, con el consecuente aumento en el consumo de materias primas para su fabricación (muchas de ellas identificadas como críticas). Todo ello, acarreará consigo, en el largo plazo, una alta necesidad de soluciones de reciclaje una vez los dispositivos lleguen al final de su vida útil. Más aún teniendo en cuenta que alrededor del 65% del coste de una batería está asociado a los materiales que la componen, lo que permitiría reducir su precio en futuras generaciones.

Se espera que en el año 2030 la demanda de baterías supere los 3.200 GWh en todo el mundo, generando una alta necesidad de soluciones de reciclaje una vez los dispositivos lleguen al final de su vida útil.

En su más reciente publicación de su estudio anual, la empresa de consultoría Yole Development estima que el valor de mercado asociado a materiales reciclados para baterías pasará de un valor aproximado de 550 millones de euros en 2022 a casi 1.200 millones en todo el mundo en el año 2025, lo que supone un crecimiento compuesto anual de casi el 25% desde el año 2020. A su vez, y a largo plazo, la misma compañía prevé que el valor a nivel global de este mercado supere, en el año 2040, los 23.000 millones de euros.

Para que estas cifras se conviertan en una realidad, es necesario el desarrollo y mejora de los procesos de reciclaje disponibles hoy en día. Todo ello, con un doble enfoque, en el que se logre recuperar tanto los metales valiosos como aquellos otros elementos no metálicos.

En este contexto, la investigación vinculada al reciclaje de baterías cobra un gran protagonismo de cara a identificar nuevas técnicas de reciclaje o, en su defecto, modelos y métodos con los que optimizar las rutas tecnológicas existentes.

La investigación vinculada al reciclaje de baterías cobra un gran protagonismo de cara a identificar nuevas técnicas de reciclaje o, en su defecto, modelos y métodos con los que optimizar las rutas tecnológicas existentes.

El pretratamiento como punto de partida para la posterior recuperación

Las actividades de reciclaje y recuperación comienzan con el conocido como pretratamiento, que constituye la primera fase del proceso. Esta etapa de “preparación” es crítica para la actividad en su conjunto, ya que permite garantizar, en muchos casos, la seguridad de todo el procedimiento posterior, así como las posibilidades de recuperar el mayor número de componentes de la batería.

A través de ella, lo que se pretende es asegurar el óptimo desmantelamiento del dispositivo para su posterior tratamiento y manipulación. Sobre todo, con el objetivo de garantizar una separación eficaz de los componentes que se pretenden recuperar en las fases posteriores del proceso.

Para ello, encontramos principalmente dos soluciones para realizar el necesario pretratamiento:

A) Pretratamiento mecánico

Consiste en uno de los procedimientos con mejores resultados. Mediante él, se realiza la descarga, trituración y separación de los elementos de la batería en base a un proceso de carácter mecánico (como, por ejemplo, la separación magnética, neumática o gravimétrica).

Actualmente, y gracias a su efectividad, es empleado en las diferentes técnicas de reciclaje como fase previa de preparación, sobre todo en relación a las técnicas hidrometalúrgicas (de las que hablaremos más adelante). Además, las nuevas soluciones propias de la Industria 4.0 como el “machine learning” o la inteligencia artificial están permitiendo digitalizar este proceso y, con ello, optimizar sus resultados.

B) Pretratamiento térmico

Tal y como se deduce de su nombre, se basa en métodos de calor para el desarrollo de la actividad. En concreto, lo que se lleva a cabo son operaciones térmicas (destilación, pirólisis, termólisis, combustión…) que pretenden eliminar o recuperar los componentes orgánicos de la batería.

Con ello, no solo se logra un posterior tratamiento más seguro de los residuos resultantes, sino que también aumentan las posibilidades de recuperación de elementos como el electrolito o el aglutinante (según su naturaleza).

Debido a su base térmica, estos procesos de pretratamiento suelen estar vinculados (aunque no de forma exclusiva) a las técnicas de reciclaje pirometalúrgicas, que detallaremos a continuación.

La ruta de reciclaje hidrometalúrgica

Una vez analizadas las potenciales técnicas de pretratamiento que permiten la separación y concentración inicial de los materiales a reciclar, podemos entrar a detallar los procesos y rutas de reciclaje con mayor potencial para la industria de las baterías.

Una de ellas es la ruta hidrometalúrgica, que supone una de las grandes esperanzas del sector del reciclaje de baterías gracias a sus resultados y potenciales desarrollos y mejoras. No en vano, se considera la opción más prometedora para el futuro según la próxima Directiva Europea de Baterías.

En concreto, este tipo de técnica juega con el empleo de líquidos (disoluciones orgánicas y/o inorgánicas) para la recuperación y purificación de los materiales deseados.

Para llevarlo a cabo, es necesario desarrollar diferentes actividades, entre las que se incluye el ya referido pretratamiento (principalmente mecánico); la lixiviación (ácidos, bases, líquidos iónicos, disolventes eutécticos profundos o bacteriana), a fin de recuperar los materiales activos; la purificación (cementación, extracción con solventes, membranas iónicas…), de cara a eliminar sustancias acompañantes que limiten la calidad de los materiales recuperados; y el acabado (que incluye actividades de electrólisis, cristalización, coprecipitación…) con el que se logran los precursores de material activo necesarios para futuros nuevos dispositivos.

La gran fortaleza de esta alternativa es el alto porcentaje de recuperación de componentes que permite (grafito incluido); todos ellos con una calidad suficiente como para poder ser potencialmente reutilizados.

Como retos a futuro, las investigaciones en torno a estas alternativas se están centrando en la recuperación del electrolito, algo que el estado del arte actual todavía no ha resuelto para este tipo de procesos. Actualmente, se están llevando a cabo los primeros estudios en este sentido que, con procesos algo más complejos y de la mano de pretratamientos térmicos, están permitiendo dar respuesta a este desafío.

A su vez, el otro gran reto al que se debe dar respuesta, en este caso, es la reducción de las aguas residuales que implica este procedimiento.

Sin embargo, debido a las fortalezas expuestas (unido al hecho de que las rutas de reciclaje hidrometalúrgicas no producen emisiones de gases tóxicos), hablamos de una de las opciones con mayor potencial futuro.

La ruta de reciclaje pirometalúrgica

En paralelo a las alternativas hidrometalúrgicas, encontramos las soluciones basadas en la pirometalurgia, que también han mostrado grandes resultados hasta la fecha.

La base de estas soluciones se fundamenta en el empleo de temperaturas alrededor de 1.500ºC para asegurar la calcinación, combustión (los compuestos a base de carbono) y fusión de todos los compuestos presentes en los dispositivos tratados.

Con ello, se obtiene una aleación de metales valiosos cuya composición variará en función del grado de materiales que tenga la batería. Esta aleación será posteriormente trasladada a un proceso hidrometalúrgico para, a través de su disolución, obtener individualmente los materiales que forman la composición generada.

Una de las ventajas de esta ruta respecto a la hidrometalúrgica es que reduce las fases de pretratamiento previas, “acelerando” así el proceso para el reciclaje. A esto hay que añadirle la facilidad para gestionar, durante el proceso, el riesgo de incendios, lo que sitúa a esta ruta como una opción segura.

Ahora bien, precisamente el hecho de usar calor supone su mayor debilidad si lo comparamos con otras metodologías. Al estar expuestas a altas temperaturas, es complicado recuperar algunos de los componentes críticos de las baterías como el electrolito o elementos como el grafito o el litio, ya que todos ellos se pierden en las escorias resultantes del proceso. A todo ello, se le sumaría el basto consumo de energía que se requiere por sus procesos.

Por otro lado, la recuperación individual a partir de la aleación generada suele llevar acompañada (como se ha indicado) el uso de rutas hidrometalúrgicas. Debido a ello, parte de la industria opta por la puesta en marcha de esta última alternativa en su ciclo completo, más aún considerando el impacto medioambiental de la pirometalurgia debido a las emisiones atmosféricas que supone.

El reciclaje directo

En tercer lugar, encontramos el conocido como “reciclaje directo”. Una alternativa que cada vez cuenta con mayor interés y foco. Sobre todo, ya que permite minimizar algunos de los puntos débiles que sí presentan las otras rutas descritas anteriormente.

Mediante esta vía, se busca reciclar la batería sin impactar en las propiedades del material activo del cátodo. Es decir, el proceso se basa en la separación selectiva de los materiales activos (sin romper su estructura cristalina) y la posterior restauración de sus propiedades iniciales.

Todo ello, orientado a lograr una mayor eficiencia y rentabilidad en el proceso, además de minimizar el impacto medioambiental que sí plantean, por ejemplo, las rutas hidrometalúrgicas y pirometalúrgicas.

En conclusión, y como se puede observar, la industria está ya trabajando en diferentes soluciones para estar preparada cuando llegue el “gran momento” en el medio plazo. Y no solo de cara a las actuales tecnologías, sino también para futuras nuevas generaciones como las baterías de estado sólido. En todo ello, juega un papel fundamental la investigación y el desarrollo; de ahí la apuesta de centros como CIC energiGUNE para ofrecer su experiencia y conocimiento a la industria en este desafiante reto.