¿Qué se necesitará para reciclar millones de baterías de los vehículos eléctricos?

En Nevada y en otras partes de Estados Unidos, emprendedores anticipan la próxima explosión de baterías de iones de litio gastadas de vehículos eléctricos y esperan crear un mercado para los minerales reciclados.

Por Ula Chrobak / Traducido al español por Daniela Hirschfeld

Treinta millas al este de Reno, Nevada, más allá de las colinas polvorientas salpicadas de salvia azul tenue y de cartelería ocasional sobre abogados especialistas en lesiones, una gran estructura de concreto se eleva de manera prominente en el paisaje desértico. Cuando esté completamente construida será una prueba piloto para un negocio que los emprendedores visualizan como una faceta importante de la futura economía verde de Estados Unidos: el reciclaje de baterías de iones de litio.

El gerente de construcción, Chuck Leber, señala las zonas de carga donde los camiones dejarán las baterías y los profundos drenages en sitios para almacenar las filtraciones de productos químicos. Me muestra una losa de concreto de dos pies (unos 61 cm) de espesor debajo del edificio —una base sólida para que los trabajadores puedan mover el equipo y adaptar la planta mientras refinan el proceso de reciclaje—. A fines de 2022, las primeras baterías pasaron por esa instalación; el objetivo es aumentar hasta llegar a 20.000 toneladas de baterías al año.

La planta de 60.000 pies cuadrados (unos 5.500 metros cuadrados), propiedad de American Battery Technology Company, es un esfuerzo optimista para abordar la inconveniente desventaja ambiental de los vehículos eléctricos: sus paquetes de baterías que demandan muchos recursos. También es una prueba para saber si los líderes empresariales pueden cumplir sus promesas de ayudar a construir una economía circular: una en la que los materiales se reutilicen indefinidamente, minimizando la necesidad de extraer continuamente más minerales de la tierra.

Desde 2019, los vehículos eléctricos han más que triplicado su participación en el mercado de automóviles, y en 2021 se vendieron 6,6 millones de unidades en todo el mundo. Ante la presión y, en ocasiones, la regulación estricta para reducir su huella climática, muchos fabricantes de automóviles se han comprometido a detener las ventas de nuevos vehículos de combustión para 2040. “En cinco años, nuestro objetivo es tener decenas de millones de vehículos eléctricos en las carreteras”, dice Alexandre Milovanoff, de la empresa de consultoría en sustentabilidad Anthesis Group, quien ha estudiado cómo una transición hacia los vehículos eléctricos afectaría la red eléctrica de Estados Unidos. “Estamos hablando de un mercado que está explotando”.

Para satisfacer la creciente demanda de baterías para vehículos eléctricos, el gobierno y las empresas de EE.UU. están invirtiendo en minería nacional para obtener los minerales necesarios — entre ellos níquel, manganeso, cobalto y litio, cuyo precio creció más de cuatro veces en 2021—. Pero también están apelando al reciclaje para buscar formas de reducir la dependencia de los materiales recién extraídos. En marzo de 2022, el presidente de EE.UU. Joe Biden invocó la Ley de Producción de Defensa para reforzar el suministro de los minerales que se necesitan, dirigiendo las inversiones nacionales tanto hacia la minería como hacia otras formas de recuperación.

Los investigadores dicen que resolver el tema del reciclaje podría ayudar a evitar los riesgos ambientales derivados del aumento de la minería y la acumulación de desechos peligrosos de baterías —pero, reprocesar estas baterías y refinar los metales que contienen para su reutilización es difícil y costoso, y muchos aun son escépticos sobre cuán verdaderamente circular puede ser esa cadena de suministro—. “La batería de un vehículo eléctrico es una pieza de tecnología muy compleja con muchos componentes, por lo que una instalación para su reciclaje será muy complicada”, dice Michael McKibben, geólogo de la Universidad de California, Riverside. “A la larga, eso va a ser importante, pero a corto plazo tiene mucho camino por recorrer”.

El abastecimiento de minerales específicos

Para alimentar un automóvil, los electrones de la batería se mueven desde el electrodo negativo, el ánodo, hasta el electrodo positivo, el cátodo. Habitualmente, el ánodo está hecho de cobre y grafito, mientras que el cátodo contiene una clase de compuestos llamados óxidos de metal de litio —que contienen litio y otros metales como cobalto, manganeso y níquel—.

Todos estos compuestos deben obtenerse —y las cantidades recuperadas del reciclaje no satisfacen aún las necesidades del mercado—. Aunque EE.UU. tiene numerosas minas de cobre (y obtiene una porción considerable a partir del reciclaje de chatarra), casi todos los demás metales presentes en las baterías de iones de litio provienen de minas ubicadas en otros países. Más del 80 % del litio mundial viene de Chile, Australia y China, mientras que más del 60 % del cobalto llega de la República Democrática del Congo.

Esta dependencia de recursos del extranjero puede traer otros costos. Actualmente, gran parte del litio extraído de minas, por ejemplo, proviene del frágil desierto de Atacama en Chile, donde el metal se recupera evaporando salmuera en enormes piletas. Es rentable, pero los investigadores y las comunidades locales han expresado su preocupación por los desechos tóxicos y el agotamiento y la contaminación de los suministros de agua. Según una estimación, se necesitan 500.000 galones de agua (1,8 millones de litros) —que en su mayoría se evaporan y se pierden—para concentrar una sola tonelada de litio. La extracción de metales para baterías también se ha relacionado con abusos contra los derechos humanos en algunos lugares, como en las minas de cobalto en la República Democrática del Congo, donde las empresas han sido acusadas de utilizar trabajo infantil, pagar mal a los trabajadores y no proporcionar equipos de seguridad básicos.

También hay que pagar un precio vinculado a la generación de gases de efecto invernadero derivados del transporte de materiales a largas distancias: incluso antes de que alguien se siente en el asiento de un vehículo eléctrico nuevo, algunos materiales que componen sus baterías ya han viajado decenas de miles de millas. (Aun así, los vehículos eléctricos, con pocas excepciones, tienen una huella de carbono más pequeña que los automóviles de motor de gasolina, y el transporte eléctrico es clave para reducir las emisiones de carbono y evitar niveles desastrosos de cambio climático).

Por ahora, la minería sigue siendo una necesidad, y los investigadores creen que es posible reducir sus impactos a través de operaciones domésticas y nuevas tecnologías. Pero también dicen que es crucial aumentar la tecnología y los modelos comerciales para el reciclaje. Después de miles de cargas y descargas, las celdas de las baterías de iones de litio se secan y se forman grietas en los materiales del cátodo, hasta que la batería no puede retener ni suministrar suficiente carga. Millones de baterías de vehículos eléctricos pronto llegarán a ese punto y, si se depositan en los vertederos, pueden liberar sustancias químicas tóxicas e incluso incendiarse. Algunas empresas estadounidenses recolectan baterías para reciclarlas, pero esta capacidad va a la zaga del volumen de baterías de iones de litio que se usan en automóviles, teléfonos, computadoras y otros dispositivos electrónicos. En 2019, las empresas de reciclaje de EE.UU. evitaron que alrededor de 15 % de las baterías iones de litio llegaran a los vertederos.

Los desafíos del reciclaje

La rentabilidad es un gran obstáculo. Aunque las baterías de iones de litio contienen metales valiosos, es complejo desarmarlas y extraer los minerales de las capas apretadas de compuestos inorgánicos y orgánicos. Según una estimación, el costo del litio reciclado de las baterías es cinco veces más alto que el litio extraído de las minas. Compare eso con las baterías de ácido-plomo de los automóviles de combustión, que se reciclan y se evita casi por completo que lleguen a los vertederos. “Es muy fácil reciclar una batería de ácido-plomo en comparación con una batería de iones de litio”, dice el geólogo Jens Gutzmer, director del Instituto Helmholtz de Tecnología de Recursos de Freiberg, en Alemania, y coautor de un artículo sobre la construcción de una economía circular de metales publicado en el Annual Review of Materials Research.

Otro problema es que, en la actualidad, los principales procesos de reciclaje de baterías de iones de litio no son particularmente eficientes. Un proceso utilizado por muchos recicladores, la pirometalurgia, consiste en fundir las baterías y quemar los separadores de plástico para extraer los metales preciados. La pirometalurgia consume mucha energía, emite gases tóxicos y no puede recuperar algunos minerales valiosos, incluido el litio.

Con el aumento de las ventas de vehículos eléctricos, una gran ola de baterías gastadas pronto exacerbará los problemas de reciclaje. Para 2028, los investigadores predicen que el mundo tendrá que lidiar con más de un millón de toneladas de baterías. “Me gusta compararlo con la industria del plástico —tenemos muchos desechos plásticos y la gente realmente no lo evita—, y me preocupa que esto también suceda con las baterías”, dice Laura Lander, científica especializada en materiales del King's College de Londres. Y aun así, si pudiera ser rentable, aumentar el reciclaje de baterías de vehículos eléctricos podría, para 2040, reducir la necesidad mundial de extracción de litio en solo un 25 %, y de cobalto y níquel en un 35 %, según un informe del Instituto para el Futuro Sostenible de la Universidad de Tecnología de Sídney, en Australia.

En el Centro ReCell del Departamento de Energía de EE.UU. —una colaboración entre laboratorios nacionales y universidades creada en 2019— se están haciendo esfuerzos para mejorar el reciclaje de baterías. Allí, investigadores están trabajando para ampliar lo que se llama “reciclaje directo”. Este método tiene como fin recuperar el material del cátodo —un polvo cuidadosamente fabricado—, sin derretir o disolver toda la batería ni destruir el polvo en el proceso. “Dedicaron mucho tiempo y esfuerzo en crear estas hermosas partículas esféricas de aproximadamente 10 micrones de diámetro con la estructura cristalina correcta”, dice Albert Lipson, científico de materiales del Laboratorio Nacional de Argonne y del Centro ReCell.

El equipo de investigación de Lipson desarrolló un proceso químico para recuperar con éxito el polvo del cátodo, que luego se puede rejuvenecer agregando litio nuevo, lo que devuelve la capacidad de carga que se perdió cuando la batería original envejeció. El método de reciclaje directo podría hacer que recuperar los componentes de la batería sea más rentable, al tiempo que produce menos emisiones de gases de efecto invernadero que otros procesos de reciclaje que emplean pasos con uso intensivo de energía para refabricar los materiales del cátodo. (Esto implica, en un punto, poner el material en un enorme horno). El reciclaje directo de ReCell se está haciendo solo en lotes de un tamaño que se puedan procesar en laboratorio, pero Lipson dice que su equipo está trabajando con empresas para ampliarlo.

Las startups de reciclaje de baterías, por su parte, están usando principalmente una técnica llamada hidrometalurgia, que disuelve las baterías en ácido y emplea solventes líquidos para extraer los minerales. Aunque la hidrometalurgia no es nueva, las empresas de reciclaje —incluidas la American Battery Technology Company y Redwood Materials, ambas con sede en el norte de Nevada y dirigidas por exingenieros de Tesla— dicen que están haciendo que el proceso sea más eficiente y recuperando más material que en el pasado.

Ryan Melsert, que dirige la American Battery Technology Company, dice que su trabajo anterior en la Gigafábrica de Tesla —una instalación gigantesca que ensambla baterías en las afueras de Sparks, Nevada— le dio ideas sobre maneras de mejorar la tecnología de reciclaje. En vez de triturar las baterías como lo hace el reciclaje hidrometalúrgico de la vieja escuela, su empresa utilizará máquinas para desarmar las baterías usadas y luego separará y venderá los componentes de menor valor, como plástico, aluminio y acero. Usando reacciones químicas patentadas luego extraerá níquel, cobalto, manganeso y litio.

“En lugar de simplemente meter una batería en un horno o una trituradora”, dice Melsert, “lo que nuestro equipo ha hecho es esencialmente tomar muchas de las mismas técnicas que desarrollamos para la fabricación y emplearlas ahora en el orden inverso”. Melsert señala que el proceso puede recuperar más del 90 % de los elementos de alto valor.

Obtener las baterías de los autos

Pero para reciclar las baterías, estas nuevas empresas primero deberán asegurarse que los paquetes lleguen a sus instalaciones —un desafío en sí mismo porque las plantas que procesan autos desechados hoy no tienen protocolos para vehículos eléctricos, incluido cómo manejar las baterías—. Melsert dice que su compañía espera crear nuevas asociaciones con General Motors, Ford y Stellantis (propietaria de varias marcas, entre ellas Dodge, Jeep y Maserati) para garantizar que cuando se venda un auto, la batería se envíe a reciclar. Y Redwood Materials ha anunciado colaboraciones con Volkswagen, Toyota, Ford y otros fabricantes de autos en torno a la recolección y el reciclaje de baterías.

Mientras camino con Leber, el gerente de construcción, a través de la futura instalación de reciclaje de American Battery Technology Company, me muestra dónde estará ubicado el almacén de productos terminados, al otro lado del edificio de los estacionamientos para camiones. Durante la primera fase de operación, estos productos terminados consistirán en una “masa negra”, una mezcla desmenuzable de metales valiosos que se venderá a empresas de fundición para su posterior refinación y reventa a los fabricantes de baterías. Eventualmente, la compañía prevé agregar una segunda etapa que refinará aún más esta mezcla en minerales separados.

American Battery Technology Company, junto con Redwood Materials, Retriev Technologies y Li-Cycle, con sede en Canadá —los cuatro principales constructores de capacidad de reciclaje de baterías de vehículos eléctricos en EE.UU.— tienen visiones en sus sitios web que sugieren que se esfuerzan por construir una cadena de suministro infinitamente reciclable. Pero, ¿es realmente posible la reutilización infinita de los minerales de las baterías? Expertos como Milovanoff y Gutzmer dicen que eso es poco probable debido a barreras como los costos laborales y las necesidades energéticas. Aun así, es técnicamente posible escalar y reciclar más del 90 % del litio, cobalto, níquel y cobre de las baterías, dice Lipson —siempre que los números den—.

En última instancia, el éxito del reciclaje de baterías depende de si se puede hacer a un precio lo suficientemente bajo. Incluso con tecnología mejorada, los recicladores pueden enfrentar dificultades para hacer que sus productos sean competitivos en términos de costos en comparación con los minerales vírgenes, dice Aimee Boulanger, directora ejecutiva de la Iniciativa para Garantizar la Minería Responsable, una coalición que trabaja con empresas para mejorar los estándares ambientales y laborales de los proyectos mineros. También pueden ser necesarios incentivos y regulaciones: en la Unión Europea, los reguladores han propuesto pautas para baterías sostenibles que establecen que contengan una proporción de materiales reciclados.

Melsert es optimista. Piensa que dado que la mayoría de los minerales para baterías ahora se extraen internacionalmente, los costos de transporte e importación de minerales vírgenes harán que los materiales reciclados a nivel nacional sean competitivos —un cálculo respaldado por algunas investigaciones—. En unos dos años espera comenzar a construir una planta que sea un orden de magnitud más grande para mantenerse al día con las crecientes ventas de vehículos eléctricos. Y dado que, por ahora, la demanda de minerales supera lo que podrá ofrecer el reciclaje, su compañía también tiene participaciones en la extracción de litio en el centro de Nevada.

“Algunas de las compañías más grandes del mundo están comprando tantos metales reciclados para baterías como estén disponibles”, dice. “El desafío, ahora, es realmente quién puede aumentar la oferta de manera más rápida”.

Este artículo apareció originalmente en Knowable en español, una publicación sin ánimo de lucro dedicada a poner el conocimiento científico al alcance de todos. Suscríbase al boletín de Knowable en español