El reciclaje de baterías toma el asiento del conductor

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 EV a medida que se acercan al final de su vida útil, con más de 100 millones de baterías de vehículos que se espera que 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 la revisión de nuestro sistema de transporte requiere el diseño y la escala de nuevas cadenas de suministro. Con este desafío surge una oportunidad: escalar una cadena de suministro que sea más estable, más resistente, más eficiente y más sostenible que la de la industria de vehículos con motores de combustión interna (ICE) y combustibles fósiles. El reciclaje de baterías es la clave para aprovechar esa oportunidad (consulte la barra lateral, "La segunda vida de las baterías: una fuente de ingresos adicional").

Este artículo es un esfuerzo de colaboración 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 los Estados Unidos, que están experimentando una gran transición a los vehículos eléctricos, la mayor parte del material de la batería apto para el reciclaje aún proviene de celdas de electrónica de consumo, como las de las computadoras portátiles y otros artículos para el hogar, y los desechos de fabricación de celdas generados a partir de Baterías defectuosas que no pasan el control de calidad. Dado que los desechos de fabricación de celdas alcanzan el 30 por ciento cuando se lanza una nueva fábrica de baterías, una fuente importante de volumen para el reciclaje evoluciona en los mercados donde la fabricación de baterías EV se está acelerando. En los mercados donde la adopción de EV ha sido generalizada durante algún tiempo, como China, las baterías de EV al final de su vida útil representan un volumen mayor. Sin embargo, a nivel mundial, es probable que la chatarra de producción siga siendo la fuente principal de materiales de baterías para reciclar hasta 2030, cuando los volúmenes de baterías de vehículos eléctricos al final de su vida útil habrán crecido hasta el punto de superarlos (Gráfico 1).

A diferencia de las baterías de productos electrónicos de consumo, que son demasiado pequeñas para integrarlas en sistemas de segunda vida, y los desechos de producción de celdas, que no se pueden usar en baterías, las baterías de EV al final de su vida útil se pueden refabricar de manera rentable y volver a usar en otras aplicaciones. Esto puede crear un flujo de ingresos adicional para los propietarios de baterías antes de que se reciclen. Al llegar al final de su vida útil en los EV (generalmente después de diez a 15 años o más de 200,000 millas), las baterías de EV pueden encontrar aplicaciones rentables de segunda vida, como energía de respaldo estacionaria, entre otras, que tienen demandas de ciclo menos rigurosas 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, al adoptar un enfoque de maximización del valor, todas las baterías de EV eventualmente deberían 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 cátodos de fosfato de hierro y litio), aunque los productos básicos vuelan Los altibajos, los shocks geopolíticos y la regulación tienen el potencial de cambiar el caso comercial del reciclaje, incluso para las baterías sin níquel y cobalto.

En este artículo, examinamos el contexto del mercado que ha llevado al crecimiento en el reciclaje de baterías, las vías tecnológicas comunes y los modelos comerciales, y los factores de éxito en este sector. Si bien nuestra investigación se centra estrictamente 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 un crecimiento sostenible.

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

Progreso tecnológico a medida que los procesos escalan y maduran está permitiendo mayores tasas de recuperación, reduciendo la huella de gases de efecto invernadero y mejorando la economía. Además, las subvenciones para proyectos de investigación e innovación de los gobiernos están promoviendo el avance de la tecnología de reciclaje, como la Alianza Europea de Baterías de la UE y las subvenciones de Investigación de Innovación para Pequeñas Empresas Fase II de la Fundación Nacional de Ciencias de los Estados Unidos.2 "Alianza Europea de Baterías", 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 celdas que buscan asegurar volúmenes locales de materia prima (reciclada) a precios estables. Por ejemplo, VW se asoció con Redwood Materials en los EE. UU., y GM con Li-Cycle y Cirba Solutions. , 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 suministroestablecido por los fabricantes de equipos originales de automóviles llevar a una preferencia por los materiales de batería reciclados sobre los materiales de batería recién extraídos, dado que el primero se caracteriza por unas emisiones de carbono aproximadamente cuatro veces más bajas, lo que resulta en una huella de emisiones de carbono más del 25 por ciento menor por kilovatio-hora (kWh) de capacidad de celda de batería producido (Anexo 2). Además, el abastecimiento de recicladores a nivel nacional evita crear una demanda primaria de materias primas provenientes de regiones en conflicto o extraídas con mano de obra infantil, o ambas. Nuestra propia investigación indica que, como resultado, los recicladores pueden incluso acceder a "primas de materias primas ecológicas".

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 no extraído originalmente en los Estados Unidos o en países con los que los Estados Unidos tienen acuerdos de libre comercio.

Presión regulatoria está alentando aún más a las organizaciones a reciclar. La UE, por ejemplo, ha instituido su Directiva de vehículos al final de su vida útil que obliga a los OEM automotrices a recuperar las baterías al final de su vida útil de los propietarios de 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, incluidos los requisitos mínimos de contenido reciclado para las baterías recién construidas.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 normativas en California (Grupo Asesor de Reciclaje de Baterías de Automóviles de iones de litio) y Texas (Grupo Asesor de Reciclaje y Reutilización de Baterías de Vehículos Eléctricos) han proporcionado recientemente recomendaciones que se espera que influyan en las medidas reglamentarias para el reciclaje de baterías. "Grupo Asesor de Reciclaje y Reutilización de Baterías de la UE", Comisión de Calidad Ambiental de Texas.

Hay dos vías de tecnología de reciclaje de baterías que se utilizan con mayor frecuencia y otros métodos de reciclaje innovadores que se encuentran en investigación y desarrollo.

Una vez que las baterías al final de su vida útil han sido recolectadas y recibidas en las instalaciones de reciclaje, inicialmente se prueban, descargan y desarman (Anexo 3). En este punto, las baterías desarmadas pasan por un proceso llamado "trituración". Por lo general, esto consiste en un tratamiento térmico de las baterías antes o después del triturado 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 reducida. formulario para una eficiencia optimizada en el procesamiento hidrometalúrgico. Después de varios pasos de selección y clasificación que aprovechan 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 "masa negra", un polvo que contiene material valioso como níquel, cobalto, litio y grafito. Alternativamente, el pretratamiento mecánico se puede realizar sin el uso de calor, lo que generalmente produce una composición de masa negra más compleja con más impurezas.

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

Procesamiento hidrometalúrgico: La masa negra filtrada se trata extensamente con ácidos donde se disuelven los metales. Una serie de los llamados pasos de "extracción con solvente", "cristalización" y "precipitación" separa los diferentes iones metálicos, que luego se pueden usar para producir materiales listos para la batería, 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 solventes, 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 material y productos de calidad para baterías.

Procesamiento pirometalúrgico: El reciclaje pirometalúrgico puede usar 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 en su mayoría terminan como escoria (como el litio, el aluminio y el silicio). Posteriormente, la aleación producida se procesa aún más en un método de refinación hidrometalúrgico comparativamente más simple para extraer las materias primas y producir sales metálicas de batería listas para la producción de precursores de batería. El procesamiento pirometalúrgico generalmente se puede operar como un proceso robusto con tasas muy altas de recuperación de níquel, cobalto y cobre, pero produce recuperaciones de material total 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: Varios métodos de reciclaje, como el reciclaje directo o el reciclaje de material activo hidrocátodo, se encuentran actualmente en las etapas de investigación, desarrollo y comercialización. 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, los proyectos de investigación en Europa y los Estados Unidos proponen la flotación por espuma, un método de concentración de metales que normalmente se usa en la industria minera, como un método eficaz para recuperar el grafito que actualmente se quema o se envía al vertedero 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 de 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.

A lo largo de 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 al año para 2040 a nivel mundial. impulsado predominantemente por el precio de los metales recuperados, la adopción esperada de la química de las celdas de las baterías, la regionalización de las cadenas de suministro, etcétera. El valor monetario generado por tonelada de material de batería podría acercarse a aproximadamente $600 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 es de alrededor del 30 por ciento dependiendo de la evolución de los precios. 7MineSpans by 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 en la batería. Hoy en día, los fabricantes de equipos originales de automóviles pagan a las empresas de eliminación de desechos para que se lleven las baterías desechadas 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 que el OEM mantiene el control sobre las materias primas recuperadas. Alternativamente, los OEM automotrices pueden vender sus desechos de baterías y baterías usadas 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 para reciclar, la "materia prima", existen más costos y decisiones operativas asociadas que pueden tener un impacto significativo en la rentabilidad de un reciclador:

Será necesario configurar una cadena de suministro inversa completa para recolectar, probar y reciclar las baterías. Y las empresas están buscando una variedad de modelos de negocios para facilitar eso.

Existen diferentes modelos comerciales dentro del espacio de reciclaje de baterías. Estos 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 la batería al final de su vida útil hasta el refinado del material de la batería. En los últimos años, ha habido una tendencia de consolidación e integración, ya que los OEM de automóviles se interesan cada vez más en las ofertas de reciclaje de extremo a extremo, en lugar de gestionar ellos mismos a 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 de reciclaje de baterías está creciendo rápidamente, todavía está lejos de la madurez y el liderazgo del mercado aún no está consolidado. Solo el mercado europeo ha visto más de 40 anuncios relacionados con el reciclaje de baterías. Un patrón similar está surgiendo en los Estados Unidos. Incluso en China, donde el mercado del reciclaje es más maduro debido a la mayor disponibilidad de baterías al final de su vida útil y chatarra de producción, los principales actores solo controlan hasta el 15 por ciento del mercado. Hemos identificado tres palancas clave que los recicladores de baterías podrían adoptar para mantener u obtener una ventaja en el mercado de reciclaje de baterías.

Garantizar un acceso suficiente a la materia prima : Los recicladores de baterías necesitan asegurar un volumen lo suficientemente grande 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 chatarra de producción, así como contratos con OEM automotrices para volúmenes futuros de paquetes de baterías al final de su vida útil.

Construir asociaciones para estirar 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 de cadenas de valor cruzadas para poder ofrecer soluciones integrales más atractivas a los OEM automotrices.

Invierta en rendimiento tecnológico, mientras se mantiene al tanto de las tendencias de diseño de baterías: Los OEM están haciendo su selección de reciclaje en función de las tasas demostradas de recuperación de materiales, la calidad del producto y la eficiencia del proceso, por lo tanto, será esencial invertir en las vías tecnológicas que pueden proporcionar un rendimiento superior. Dicho esto, las baterías EV están lejos del punto de estandarización, por lo que las inversiones en tecnología deben calibrarse mediante un compromiso cercano con los equipos de I + D de los OEM con los que el reciclador está colaborando o busca colaborar. El intercambio de información sobre los cambios planificados en la química de la batería 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 baterías 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 de reciclaje de baterías de EV tiene el potencial de hacer o romper 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 EV, de $95 mil millones por año para 2040, es enorme y está atrayendo la atención de los OEM automotrices, los OEM de baterías y los inversionistas. Si bien esperamos que continúe una gran cantidad de movimiento en el espacio, el desarrollo de acuerdos de compra a escala, la asociación e inversión para llenar los vacíos en la cadena de valor y la colaboración con proveedores de materias primas para impulsar la eficiencia en tecnología y diseño diferenciarán a los líderes de la industria. Lo que está claro por ahora es que para el sector automotriz, el camino para escalar la cadena de suministro de EV puede no ser recto, sino circular.

Andrew más amplioes socio de la oficina del Área de la Bahía de McKinsey, dondeTomas Schuldtes consultor;Martín Linderes socio mayoritario de la oficina de Múnich;julia sicardo es socio de la oficina de Nueva York; yNikola Vekićes 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.