El reciclaje de baterías toma el control

Jul 08, 2023

A medida que la movilidad eléctrica aumenta a nivel mundial, también lo hace la necesidad de baterías para vehículos eléctricos (EV). Esta demanda ha llevado a un crecimiento considerable en la producción de baterías, con más de cinco teravatios hora (TWh) por año de capacidad de gigafábrica esperada a nivel mundial para 2030. También hay un crecimiento considerable en los volúmenes de baterías de vehículos eléctricos a medida que se acercan al final de su vida útil, con más de 100 Se espera que millones de baterías de vehículos se retiren en la próxima década.1 Estimación de BI de MCFM. Pasar de la movilidad basada en combustibles fósiles a la eléctrica es claramente positivo para el medio ambiente y para el bolsillo de muchos consumidores, pero reformar nuestro sistema de transporte requiere diseñar y ampliar nuevas cadenas de suministro. Este desafío conlleva una oportunidad: escalar una cadena de suministro que sea más estable, más resiliente, más eficiente y más sostenible que la de la industria de vehículos de combustibles fósiles y motores de combustión interna (ICE). El reciclaje de baterías es la clave para aprovechar esa oportunidad (consulte el recuadro “La segunda vida de las baterías: una fuente de ingresos adicional”).

Este artículo es un esfuerzo colaborativo de Andreas Breiter, Martin Linder, Thomas Schuldt, Giulia Siccardo y Nikola Vekić que representan puntos de vista de la práctica de industrias avanzadas de McKinsey.

En China, Europa y Estados Unidos, que están atravesando una gran transición hacia los vehículos eléctricos, la mayor parte del material de batería apto para el reciclaje todavía proviene de celdas de productos electrónicos de consumo, como las de computadoras portátiles y otros artículos domésticos, y de desechos de fabricación de celdas generados a partir de Baterías defectuosas que no pasan el control de calidad. Dado que la chatarra de fabricación de celdas llega al 30 por ciento cuando se inaugura una nueva fábrica de baterías, una importante fuente de volumen para el reciclaje evoluciona en los mercados donde la fabricación de baterías para vehículos eléctricos se está acelerando. En los mercados donde la adopción de vehículos eléctricos ha sido generalizada durante algún tiempo, como China, las baterías de vehículos eléctricos al final de su vida útil representan un volumen mayor. Sin embargo, a nivel mundial, la chatarra de producción probablemente seguirá siendo la principal fuente de materiales de baterías para reciclaje hasta 2030, cuando los volúmenes de baterías de vehículos eléctricos al final de su vida útil habrán crecido hasta el punto de superarlos (Anexo 1).

A diferencia de las baterías de productos electrónicos de consumo, que son demasiado pequeñas para integrarse en sistemas de segunda vida, y de los desechos de producción de celdas, que no pueden usarse en baterías, las baterías de vehículos eléctricos al final de su vida útil pueden remanufacturarse de manera rentable y usarse nuevamente en otras aplicaciones. Esto puede crear una fuente de ingresos adicional para los propietarios de baterías antes de que se reciclen. Al llegar al final de su vida útil en los vehículos eléctricos (normalmente después de diez a 15 años o más de 200.000 millas), las baterías de los vehículos eléctricos pueden encontrar aplicaciones rentables de segunda vida, como energía de respaldo estacionaria, entre otras, que tienen demandas de ciclos menos rigurosos que Vehículos eléctricos. Las baterías que son adecuadas para estas aplicaciones de segunda vida bien pueden tomar este desvío en su camino hacia el reciclaje, pero, si se adopta un enfoque de maximización de valor, todas las baterías de vehículos eléctricos deberían eventualmente encontrar su camino hacia los procesos de reciclaje.

Este es especialmente el caso de las baterías que utilizan productos químicos basados ​​en insumos de alto valor (por ejemplo, cátodos de óxido de níquel-manganeso-cobalto) en comparación con productos químicos con insumos de bajo valor (como los cátodos de fosfato de hierro-litio), aunque los productos básicos vuelan. Los enfrentamientos, las crisis geopolíticas y la regulación tienen el potencial de cambiar el argumento comercial del reciclaje, incluso para las baterías sin níquel ni cobalto.

En este artículo, examinamos el contexto del mercado que ha llevado al crecimiento del reciclaje de baterías, las vías tecnológicas y los modelos de negocio comunes, y los factores de éxito en este sector. Si bien nuestra investigación se centra estrechamente en el reciclaje de baterías, descubrimos que comprender el alcance potencial de la economía circular para las baterías arroja luz sobre un enfoque de cadena de suministro que podrían adoptar otras industrias, dentro y fuera de la energía y el transporte, para impulsar el crecimiento sostenible.

Numerosas palancas están impulsando el crecimiento de la industria del reciclaje de baterías:

Progreso tecnológico a medida que los procesos escalan y maduran, permite mayores tasas de recuperación, reduce la huella de gases de efecto invernadero y mejora la economía. Además, las subvenciones de los gobiernos para proyectos de investigación e innovación están promoviendo el avance de la tecnología de reciclaje, como las subvenciones de la Alianza Europea de Baterías de la UE y las subvenciones de Investigación de Innovación para Pequeñas Empresas de Fase II de la Fundación Nacional de Ciencias de los Estados Unidos.2 “European Battery Alliance”, Comisión Europea, octubre 2017; “Programas para pequeñas empresas”, Fundación Nacional de Ciencias.

Consideraciones sobre la estabilidad de la cadena de suministro Están siendo priorizados por varios OEM automotrices y productores de células que buscan asegurar volúmenes locales de materia prima (reciclada) a precios estables. Por ejemplo, VW se ha asociado con Redwood Materials en EE. UU., y GM con Li-Cycle y Cirba Solutions.3 “VW Group of America y Redwood Materials crearán una cadena de suministro para el reciclaje de baterías de vehículos eléctricos”, sitio de medios de VW AG en EE. UU. , 12 de julio de 2022; Cirba Solutions y General Motors amplían su colaboración en el reciclaje de baterías de vehículos eléctricos para ayudar a respaldar una cadena de suministro de baterías sostenible”, GlobalNewswire, 2 de noviembre de 2022.

Descarbonización y objetivos éticos de la cadena de suministroestablecidos por los fabricantes de equipos originales (OEM) de automoción llevar a una preferencia por materiales de batería reciclados sobre materiales de batería recién extraídos, dado que el primero se caracteriza por emisiones de carbono aproximadamente cuatro veces menores, lo que resulta en una huella de emisiones de carbono más de 25 por ciento menor por kilovatio-hora (kWh) de capacidad de celda de batería. producido (Anexo 2). Además, abastecerse de recicladores nacionales evita la creación de una demanda primaria de materias primas procedentes de regiones en conflicto o extraídas mediante trabajo infantil, o ambas cosas. Nuestra propia investigación indica que, como resultado, los recicladores pueden incluso acceder a “primas de materias primas verdes”.

Incentivos regulatoriosestán creando condiciones propicias para el reciclaje local, como la Ley de Reducción de la Inflación de EE. UU. de 2022, que permite que los materiales de baterías reciclados (por ejemplo, litio, cobalto y níquel) califiquen para importantes créditos fiscales disponibles a través de la cláusula de materiales nacionales, incluso si esos materiales fueron originalmente no se extraía en los Estados Unidos ni en países con los que Estados Unidos tiene acuerdos de libre comercio.

Presión regulatoria está animando aún más a las organizaciones a reciclar. La UE, por ejemplo, ha instituido su Directiva sobre vehículos al final de su vida útil, que obliga a los fabricantes de equipos originales de automóviles a recuperar las baterías al final de su vida útil de los propietarios de los vehículos. El paquete Fit for 55 de la UE ha promovido aún más el interés de los OEM en el reciclaje al exigir la publicación de las huellas de carbono de las baterías, así como al establecer objetivos de recolección y reciclaje que incluyen requisitos mínimos de contenido reciclado para baterías de nueva construcción.4 “El Consejo Ambiental de la UE adopta nuevas reglas para baterías más sostenibles”, Ministerio Federal de Medio Ambiente, Conservación de la Naturaleza, Seguridad Nuclear y Protección del Consumidor, República de Alemania, 17 de marzo de 2022. En los Estados Unidos, iniciativas regulatorias en California (Grupo Asesor sobre Reciclaje de Baterías de Automóviles de Iones de Litio) y Texas (Grupo Asesor sobre Reciclaje y Reutilización de Baterías para Vehículos Eléctricos) han brindado recientemente recomendaciones que se espera que influyan aún más en las medidas regulatorias hacia el reciclaje de baterías.5 “Lithium-ion Car Battery Recycling Group”, Agencia de Protección Ambiental de California, 2019; “Grupo Asesor de Reciclaje y Reutilización de Baterías de la UE”, Comisión de Calidad Ambiental de Texas.

Hay dos vías tecnológicas de reciclaje de baterías que se utilizan con mayor frecuencia y otros métodos de reciclaje innovadores que se están investigando y desarrollando.

Una vez que las baterías al final de su vida útil se han recogido y recibido en las instalaciones de reciclaje, inicialmente se prueban, descargan y desmontan (Anexo 3). En este punto, las baterías desmontadas pasan por un proceso llamado "trituración". Esto normalmente consiste en un tratamiento térmico de las baterías antes o después de la trituración para eliminar impurezas como la fracción orgánica (por ejemplo, plástico), optimizar la separación del material activo del electrodo y la lámina colectora de corriente y cambiar la fase del metal valioso a una fase reducida. forma para una eficiencia optimizada en el procesamiento hidrometalúrgico. Después de varios pasos de cribado y clasificación aprovechando las propiedades físicas de los componentes de la batería, como el tamaño, la forma, el magnetismo, la densidad y la conductividad, el proceso produce múltiples fracciones de material, que incluyen la "masa negra", un polvo que contiene material valioso como níquel, cobalto, litio y grafito. Alternativamente, se puede realizar un pretratamiento mecánico sin el uso de calor, lo que normalmente produce una composición de masa negra más compleja con más impurezas.

Una vez generada la masa negra, normalmente se utiliza uno de los dos métodos de procesamiento siguientes:

Procesamiento hidrometalúrgico: La masa negra tamizada se trata ampliamente con ácidos donde se disuelven los metales. Una serie de pasos llamados “extracción con solvente”, “cristalización” y “precipitación” separan los diferentes iones metálicos, que luego pueden usarse para producir materiales listos para baterías, como sulfato de níquel o carbonato de litio. La masa negra tratada térmicamente es la materia prima preferida para este proceso, principalmente debido a la ausencia de compuestos orgánicos (como disolventes y aglutinantes). El pretratamiento mecánico combinado con el procesamiento hidrometalúrgico presenta un proceso complejo, aunque viable, que requiere más reactivos para lograr altas tasas de recuperación de materiales y productos de calidad aptos para baterías.

Procesamiento pirometalúrgico: El reciclaje pirometalúrgico puede utilizar masa negra como materia prima pero, a diferencia del procesamiento hidrometalúrgico, no necesariamente lo requiere. Por lo general, las baterías se funden directamente en un horno para recuperar cobalto, níquel y cobre, en forma de aleación, mientras que otros componentes terminan en su mayoría como escoria (como el litio, el aluminio y el silicio). Posteriormente, la aleación producida se procesa adicionalmente en un método de refinación hidrometalúrgico comparativamente más simple para extraer las materias primas y producir sales metálicas para baterías listas para la producción de precursores de baterías. El procesamiento pirometalúrgico generalmente puede operarse como un proceso robusto con tasas muy altas de recuperación de níquel, cobalto y cobre, pero produce recuperaciones totales de material más bajas en comparación con el pretratamiento mecánico en combinación con el procesamiento hidrometalúrgico, ya que muchos materiales se queman o se pierden en la escoria. Además, el proceso requiere sofisticados sistemas de limpieza de gases.

Procesos de reciclaje más innovadores: Actualmente se encuentran en etapas de investigación, desarrollo y comercialización varios métodos de reciclaje, como el reciclaje directo o el reciclaje de material activo hidroacátodo. Estas nuevas vías de reciclaje tienen como objetivo aumentar las tasas de recuperación de materiales, disminuir el consumo de energía y reactivos y disminuir las emisiones y las aguas residuales. Por ejemplo, proyectos de investigación en Europa y Estados Unidos proponen la flotación por espuma, un método de concentración de metales típicamente utilizado en la industria minera, como un método eficaz para recuperar el grafito que actualmente se quema o se envía a vertederos durante o después del proceso de reciclaje. La recuperación de grafito, un componente que representa alrededor del 15 al 25 por ciento del peso de una batería, puede convertirse en un requisito según la regulación de la UE recientemente propuesta que exige una recuperación del material del 65 por ciento y el 70 por ciento para 2025 y 2030, respectivamente.6“Nuevo marco regulatorio de la UE para baterías”, Parlamento Europeo, marzo de 2022.

En toda la cadena de valor del reciclaje de baterías, desde la recolección hasta la recuperación de metales, se espera que los ingresos crezcan a más de 95 mil millones de dólares al año para 2040 a nivel mundial. impulsado principalmente por el precio de los metales recuperados, la adopción esperada de la química de las celdas de batería, la regionalización de las cadenas de suministro, etc. El valor monetario generado por tonelada de material de batería podría acercarse a aproximadamente 600 dólares ya en 2025 (Anexo 4). En el futuro, esperamos que el potencial de creación de valor crezca a niveles similares a los de la industria de metales primarios, que ronda el 30 por ciento dependiendo de la evolución de los precios.7MineSpans de McKinsey.

Los ingresos por reciclaje de baterías están impulsados ​​por las ventas de materias primas recuperadas, que normalmente se componen del precio de las materias primas multiplicado por el contenido de masa por batería multiplicado por la tasa de recuperación de cada metal de la batería. Hoy en día, los fabricantes de equipos originales de automóviles pagan a las empresas de eliminación para que se lleven baterías de desecho o al final de su vida útil, y la propiedad de la batería se transfiere por completo. En el futuro, los recicladores de baterías probablemente cambiarán a un modelo de peaje en el que el reciclador cobra una tarifa por el servicio de reciclaje de la batería mientras el OEM mantiene el control sobre las materias primas recuperadas. Alternativamente, los OEM automotrices pueden vender sus desechos de baterías y baterías gastadas a recicladores para quienes el valor de las materias primas en esas baterías está por encima del costo de reciclaje más el margen.

Además del costo de adquirir las baterías que se reciclarán (la “materia prima”), existen más costos y decisiones operativas asociadas que pueden tener un impacto significativo en la rentabilidad de un reciclador:

Será necesario establecer toda una cadena de suministro inversa para recolectar, probar y reciclar baterías. Y las empresas están siguiendo una variedad de modelos de negocio para facilitarlo.

Existen diferentes modelos de negocio dentro del espacio del reciclaje de baterías. Estas van desde empresas que cubren pasos individuales de la cadena de valor (por ejemplo, trituración) hasta empresas integradas que cubren todos los pasos de la cadena de valor, desde la logística inversa de baterías al final de su vida útil hasta el refinado del material de las baterías. En los últimos años, ha habido una tendencia de consolidación e integración, a medida que los fabricantes de equipos originales de automóviles se interesan cada vez más en ofertas de reciclaje de extremo a extremo, en lugar de gestionar ellos mismos diferentes actores a lo largo de la cadena de valor. Las empresas integradas se pueden caracterizar en tres arquetipos según el nivel de integración organizacional:

Si bien el mercado del reciclaje de baterías está creciendo rápidamente, todavía está lejos de su madurez y el liderazgo del mercado aún no está consolidado. Sólo en el mercado europeo se han producido más de 40 anuncios relacionados con el reciclaje de baterías. Un patrón similar está surgiendo en Estados Unidos. Incluso en China, donde el mercado del reciclaje está más maduro debido a la mayor disponibilidad de baterías al final de su vida útil y desechos de producción, los principales actores sólo controlan hasta el 15 por ciento del mercado. Hemos identificado tres palancas clave que los recicladores de baterías podrían adoptar para mantener o obtener una ventaja en el mercado del reciclaje de baterías.

Asegurar un acceso suficiente a la materia prima : Los recicladores de baterías deben asegurar un volumen lo suficientemente grande como para generar una escala significativa a corto plazo con potencial de crecimiento a largo plazo. Esto puede tomar la forma de contratos con productores de celdas de batería para desechos de producción, así como contratos con fabricantes de equipos originales de automóviles para volúmenes futuros de paquetes de baterías al final de su vida útil.

Construir asociaciones para extenderse a lo largo de la cadena de valor del reciclaje.: Los recicladores de baterías que aún no están integrados verticalmente podrían explorar la creación de ecosistemas entre cadenas de valor para poder ofrecer soluciones integrales más atractivas a los fabricantes de equipos originales de automóviles.

Invierta en rendimiento tecnológico y, al mismo tiempo, esté al tanto de las tendencias en diseño de baterías: Los OEM están seleccionando el reciclaje basándose en tasas demostradas de recuperación de materiales, calidad del producto y eficiencia de los procesos, por lo que será esencial invertir en vías tecnológicas que puedan proporcionar un rendimiento superior. Dicho esto, las baterías de los vehículos eléctricos están lejos del punto de estandarización, por lo que las inversiones en tecnología deben calibrarse mediante una estrecha colaboración con los equipos de I+D de los fabricantes de equipos originales con los que el reciclador colabora o busca colaborar. El intercambio de información sobre los cambios planificados en la química de las baterías y el diseño del paquete que los OEM pueden estar considerando, y sobre la intensidad de recursos de los diversos pasos del proceso de reciclaje, por ejemplo, podría allanar el camino para decisiones técnicas y de diseño que lo hagan más simple, e incluso más rentable que las pilas se reciclen. El “diseño para la sostenibilidad” requiere un esfuerzo para coordinar toda la cadena de valor y desarrollar una comprensión refinada de los procesos fuera del alcance directo del reciclador, pero puede fortalecer significativamente las asociaciones y las cadenas de suministro.

Sin reciclaje, se espera que los materiales de las baterías sigan siendo un cuello de botella crítico para la electrificación. Como tal, el crecimiento y la rentabilidad del sector del reciclaje de baterías de vehículos eléctricos tienen el potencial de acelerar o frenar el ritmo de la transición vital de un mundo de combustión interna a uno eléctrico.

Afortunadamente, la creación de valor potencial para el reciclaje de baterías de vehículos eléctricos, de 95 mil millones de dólares por año para 2040, es enorme y está atrayendo la atención de los fabricantes de equipos originales de automóviles, los fabricantes de equipos originales de baterías y los inversores. Si bien esperamos que continúe un gran movimiento en el espacio, desarrollar acuerdos de compra a escala, asociarse e invertir para llenar vacíos en la cadena de valor y colaborar con proveedores de materias primas para impulsar la eficiencia en tecnología y diseño distinguirán a los líderes de la industria. Lo que está claro por ahora es que para el sector automotriz, el camino hacia la ampliación de la cadena de suministro de vehículos eléctricos puede no ser recto, sino circular.

Andreas Breiteres socio de la oficina de McKinsey en el Área de la Bahía, dondeThomas Schuldtes consultor;Martín Linderes socio principal de la oficina de Munich;Julia Siccardo es socio de la oficina de Nueva York; yNikola Vekices consultor en la oficina de Bruselas.

Los autores desean agradecer a Isabella Avelar, Deston Barger, Johan Bracht, Luca Buscaglione, Nicolo Campagnol, Erik Dellborg, Jonas DeMuri-Siliunas, Jacob Fleischmann, Scott Glover, Nicolas Goffaux, Xenia Greenhalgh, Yunjing Kinzel, Friederike Liebach, Connor Mangan, Alexandre van de Rijt, Patrick Schaufuss y Monica Wang por sus contribuciones a este artículo.