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REDWOOD MATERIALS

Tecnología y Sociedad

Baterías eléctricas del pasado para los vehículos del futuro

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El reciclaje de baterías de iones de litio está despegando gracias a empresas como Redwood Materials y podría contribuir a la transición a las energías renovables

  • por Casey Crownhart | traducido por Ana Milutinovic
  • 20 Enero, 2023

El reciclaje de baterías es una de las 10 Tecnologías Emergentes de 2023 de MIT Technology Review. Consulta el resto de la lista aquí.

Para Redwood Materials, las cajas de cartón apiladas en su aparcamiento de grava representan tanto el pasado como el futuro de los vehículos eléctricos. Ese espacio de almacenamiento improvisado se extiende por unas cinco hectáreas en el nuevo centro de reciclaje de baterías de Redwood, a las afueras de Reno, Nevada. La mayoría de las cajas tienen el tamaño de una lavadora y están envueltas en plástico blanco. Pero algunas están abiertas, revelando su contenido: teclados inalámbricos, juguetes desechados, trozos de baterías usadas de Honda Civic.

Lejos de ser basura, los materiales de las baterías de todos estos objetos desechados son un tesoro: sus metales son ingredientes valiosos que podrían ser fundamentales para satisfacer la creciente demanda de vehículos eléctricos.

Redwood Materials es una de las cada vez más numerosas empresas de reciclaje que trabajan para ofrecer una alternativa al vertedero a las baterías de iones de litio utilizadas en aparatos electrónicos y vehículos eléctricos. La empresa anunció sus planes para esta planta de 3.500 millones de dólares en Reno a mediados de 2022. Se espera que la planta produzca material para un millón de baterías de iones de litio para vehículos eléctricos en 2025, y que alcance los 5 millones en 2030. Redwood tiene previsto iniciar la construcción de otra planta en el este de EE UU en 2023.

Foto: Redwood gestiona un programa de recogida de viejos teléfonos, tabletas y otros dispositivos que utilizan baterías de iones de litio. Crédito: REDWOOD MATERIALS 

Mientras tanto, la empresa canadiense Li-Cycle explota actualmente cuatro instalaciones comerciales que pueden reciclar en conjunto unas 30.000 toneladas métricas de baterías al año, y tiene previstas otras tres. Otras empresas de nueva creación con sede en Estados Unidos, como American Battery Technology Company, también han anunciado grandes pruebas comerciales, sumándose así a un mercado de reciclado ya establecido en China y Europa.

Aunque estas nuevas iniciativas de reciclado son mejores para el medio ambiente que enterrar metales en vertederos, también están impulsadas por el auge del mercado de vehículos eléctricos. La adopción de vehículos eléctricos se está disparando en EE UU y en todo el mundo, lo que genera una nueva demanda de los metales que componen sus baterías, especialmente litio, níquel y cobalto. Se prevé que los vehículos eléctricos representen el 13% de las ventas de vehículos nuevos en 2022, cifra que aumentará hasta el 30% en 2030. Para abastecer de baterías a todos esos coches se necesitarán muchos más metales de los que hay disponibles en la actualidad.

En 2035 podrían necesitarse más de 200 nuevas minas para suministrar suficiente material sólo para el cobalto, el litio y el níquel necesarios para las baterías de los vehículos eléctricos. La producción de litio debería multiplicarse por 20 para satisfacer la demanda de vehículos eléctricos en 2050.

El reciclaje podría representar una nueva fuente importante de materias primas. A escala mundial, en 2021 había más de 600.000 toneladas métricas de baterías de iones de litio reciclables y chatarra derivada de su fabricación. Según la consultora Circular Energy Storage, se espera que esa cifra supere los 1,6 millones de toneladas en 2030. Y podría despegar realmente después de esa fecha, cuando la primera generación de coches eléctricos se dirija a los desguaces.

Los nuevos avances en el proceso de reciclado de las baterías de iones de litio están transformando la industria, permitiendo a los recicladores separar y recuperar una cantidad suficiente de estos valiosos metales para que el proceso resulte económico. El reciclaje no puede resolver por sí solo la escasez de material, porque la demanda de estos metales supera la cantidad que circula en las baterías que se utilizan hoy en día. Pero gracias a estos avances, podría representar una fracción significativa del suministro en las próximas décadas.

Cuando la visité en septiembre, Redwood se preparaba para enviar su primer producto, una pequeña muestra de lámina de cobre utilizada en los ánodos de las baterías. Va a enviar la lámina al fabricante de baterías Panasonic para que la utilice en la Gigafactoría de Nevada, que produce celdas de batería para la fábrica de vehículos Tesla, a menos de ocho kilómetros de distancia.

De camino a la fábrica de Redwood, vi plantas rodadoras saltar sobre la carretera y algunos caballos salvajes holgazaneando en una ladera. Más tarde, vi a un coyote cruzando el aparcamiento.

Pero en el camino de tierra del lugar, las vibraciones del Viejo Oeste desaparecieron rápidamente, sustituidas por la sensación de urgencia que irradiaban casi todos los presentes. Se estaban construyendo varios edificios enormes, y los ingenieros y obreros de la construcción con chalecos de seguridad y cascos de protección se apresuraban por el lugar, escabulléndose entre los remolques provisionales que servían de oficinas, laboratorios y salas de reuniones improvisadas.

Una vez terminada la construcción, las instalaciones de Redwood producirán dos productos principales: la lámina de cobre para los ánodos y una mezcla de litio, níquel y cobalto conocida como material activo catódico. Estos componentes suponen más de la mitad del coste de las pilas. Según las previsiones de Redwood, en 2025 sus instalaciones producirán la cantidad suficiente para fabricar baterías para más de un millón de vehículos eléctricos al año.

En la parte baja de la colina, el edificio para la producción de láminas de cobre era el más avanzado, con tejado y paredes; una máquina para fabricar las láminas estaba escondida en un rincón. Pero los otros dos grandes edificios aún estaban lejos de estar terminados: a uno le faltaban las paredes y el otro sólo tenía los cimientos.

Redwood tiene grandes planes y muchas obras por delante.

"Un sentimiento de paranoia"

Redwood Materials fue fundada por JB Straubel, quien, como director técnico de Tesla a principios de la década de 2010, dirigió muchos de los avances de la empresa en materia de baterías; entre ellos, el comienzo de su red de estaciones de carga. Pero incluso cuando Tesla estaba transformando la forma de fabricar y vender coches eléctricos, a Straubel le preocupaba lo abrumadora que podría llegar a ser la necesidad de más materiales para las baterías. Empezó a pensar en formas de abaratar el coste de las baterías y ayudar a reducir las emisiones de carbono asociadas a su fabricación.

Straubel fundó Redwood cuando aún trabajaba en Tesla (lo dejó en 2019); quería, como él dice, crear una empresa sostenible de materiales para baterías. Hoy en día habla de su misión con una emoción que le deja sin aliento y con la precisión de un ingeniero; a veces, se detiene en medio de una reflexión para empezar de nuevo mientras explica su visión del futuro de la producción de baterías.

"Esto simplemente no puede funcionar a menos que tengas un ciclo cerrado [de reciclaje] de materias primas. No hay suficientes materias primas nuevas para seguir construyendo y tirándolas", señala.

Foto: Redwood utiliza un proceso llamado hidrometalurgia para recuperar metales valiosos como cobalto, litio y níquel de las pilas que recoge. Crédito: REDWOOD MATERIALS 

Crear un circuito cerrado de materiales, en el que las pilas viejas se conviertan en materia prima de otras nuevas, parece una idea obvia, pero ejecutarla no es trivial. "No se trata sólo de un problema de clasificación o gestión de residuos", afirma Straubel.

Separar químicamente los metales cruciales encerrados en las baterías es una tarea intrincada. Laboratorios, nuevas empresas y compañías consolidadas buscan el proceso ideal para recuperar la mayor cantidad posible de materiales valiosos con la mayor calidad.

Los detalles de cómo Redwood resuelven este problema se mantienen en secreto: son el ingrediente secreto de la empresa. Pero su proceso es también un trabajo en curso, y la urgencia por resolverlo es evidente.

"Tengo una especie de sensación de paranoia y urgencia y casi (aunque no exactamente) de pánico, que no ayuda. En realidad, deriva de un sentimiento profundo de que creo que no estamos interiorizando bien cómo de malo que va a ser el cambio climático", dice Straubel.

"En general, no creo que vayamos lo suficientemente rápido. No creo que nadie lo haga".

El papel del reciclaje

La mayoría de las instalaciones de reciclaje de baterías de iones de litio utilizan un conjunto de procesos químicos denominados hidrometalurgia, en los que los materiales de las baterías se disuelven y separan utilizando una serie de ácidos y disolventes. Además del níquel, el cobalto y otros materiales como el grafito y el cobre, los últimos avances han permitido a la hidrometalurgia recuperar también el litio en altas tasas.

Tras un proceso adicional, los materiales recuperados pueden utilizarse en nuevos productos. Mientras que algunos materiales, como los plásticos, pueden degradarse con el tiempo al reciclarse, los investigadores han descubierto que los metales recuperados de las baterías funcionan tan bien para cargar y almacenar energía como los extraídos de las minas.

Muchas de las baterías que llegan a Redwood necesitan ser desmontadas a mano antes de ser procesadas. Es el caso de las baterías que llegan en paquetes completos para vehículos eléctricos, que tienen el tamaño de un colchón y son demasiado grandes para el equipo de Redwood, así como de las baterías que aún están acopladas a sus productos, como ordenadores portátiles o herramientas eléctricas. Todos estos tipos de baterías suelen contener litio, níquel y cobalto, aunque las cantidades relativas varían; las baterías de los aparatos electrónicos de consumo, por ejemplo, suelen contener más cobalto que las de los vehículos eléctricos.

Foto izquierda: Uno de los primeros productos de Redwood es la lámina de cobre, que se utiliza en los ánodos de las baterías de litio. Aquí, un técnico de Redwood inspecciona el producto cuando sale de la línea de fabricación. Crédito: REDWOOD MATERIALS 

Foto derecha: Redwood planea producir láminas de cobre en su nuevo campus a las afueras de Reno, Nevada. La entrega a Panasonic estaba prevista para diciembre. Crédito: REDWOOD MATERIALS 

Foto izquierda: Redwood empezó a construir su campus de materiales para baterías a finales de 2021. Se espera que las instalaciones produzcan materiales de baterías suficientes para un millón de vehículos eléctricos en 2025. Crédito: REDWOOD MATERIALS 

Foto derecha: Las baterías grandes, como estas de un sistema de almacenamiento de energía, suelen tener que desmontarse a mano antes de reciclarse. Crédito: REDWOOD MATERIALS 

El desmontaje manual no será lo ideal cuando la empresa empiece a recibir más materiales, afirma Andy Hamilton, vicepresidente de fabricación de Redwood. Con el tiempo, Redwood espera automatizar más este proceso de clasificación, aunque la construcción de sistemas automatizados que puedan hacer frente a la variedad de baterías que la empresa recibe será probablemente un reto. 

Una vez clasificadas y desmontadas, las baterías que aún conservan carga se suben en una cinta transportadora a una de las cuatro enormes cámaras para un proceso llamado calcinación, en el que las baterías se cuecen a altas temperaturas para descargarlas y eliminar disolventes.

A continuación, el material se tritura hasta convertirlo en polvo antes de pasar al proceso hidrometalúrgico para separar los distintos elementos.

A pesar de los recientes avances técnicos, el reciclaje no cubrirá pronto la demanda de materiales para baterías, afirma Alissa Kendall, investigadora de sistemas energéticos de la Universidad de California en Davis. Si la demanda sigue aumentando exponencialmente, las baterías recicladas representarán, como mucho, la mitad del suministro de níquel y litio en 2050.

Sin embargo, a medida que evolucione la química de las baterías, ese porcentaje podría cambiar, como ya está ocurriendo con el cobalto. Hoy en día, las baterías de los vehículos eléctricos contienen menos cobalto que antes, y los fabricantes de pilas encuentran continuamente formas de utilizar aún menos este metal tan caro. Como resultado, el cobalto reciclado podría representar el 85% del suministro necesario para 2040, afirma Kendall.

Aunque el reciclado no pueda sustituir totalmente a la minería, reducir la necesidad de más minas podría disminuir la carga social y medioambiental que supone la producción de nuevas baterías. Muchos metales para pilas se extraen en África, Asia y América Central y del Sur. Según la Agencia Internacional de la Energía, la minería en estas regiones suele estar asociada a violaciones de los derechos humanos, incluido el trabajo forzado e infantil, así como a una importante contaminación del aire y el agua. 

A la espera del tsunami de las baterías

En el sector del reciclaje de baterías hay quien sostiene que el sector no necesitará mucho apoyo político, ya que los materiales de las baterías serán lo bastante valiosos como para justificar su reciclaje. Pero las recientes medidas adoptadas en Estados Unidos podrían dar un nuevo impulso a empresas como Redwood.

Dado que la planta de fabricación de Redwood se encuentra en EE UU, la empresa podría optar a créditos fiscales a la producción en virtud de la recientemente aprobada Ley de Reducción de la Inflación (IRA, por sus siglas en inglés). La IRA también impulsará la demanda de materias primas de empresas como Redwood. Para que los automóviles puedan optar a los créditos fiscales de 7.500 dólares, los fabricantes tendrán que abastecerse de materiales y fabricar sus baterías en EE UU o en socios de libre comercio.

Los críticos han advertido de que la industria podría no ser capaz de cumplir los plazos de estos créditos fiscales para vehículos eléctricos, especialmente en lo que respecta al abastecimiento de materiales, ya que la construcción de nuevas minas puede llevar hasta una década. En cambio, una planta de reciclaje podría construirse más rápidamente, y algunos apuntan al reciclaje como una posible vía para que los fabricantes de baterías y automóviles puedan optar a los créditos.

Otros gobiernos están estudiando normativas adicionales para impulsar el reciclaje de pilas. En Europa, la legislación propuesta recientemente incluye disposiciones como exigir a los fabricantes originales de una batería que se hagan responsables de ella al final de su vida útil. La UE también se ha planteado exigir que las pilas nuevas tengan una determinada fracción de contenido reciclado.

Sin embargo, a corto plazo podría haber escasez de baterías para reciclar. La oleada de baterías viejas de vehículos eléctricos que se espera en las próximas décadas es por ahora sólo un goteo, ya que sólo un pequeño número de vehículos eléctricos está saliendo de las carreteras.

Aproximadamente la mitad de lo que Redwood acepta actualmente no se ha utilizado nunca en un producto. Este material abarca desde baterías ensambladas y cargadas que no superaron los controles de calidad hasta lo que queda de una lámina de metal cuando se le cortan las piezas deseadas. Todos los días llegan a las instalaciones de Redwood dos semirremolques con deshechos de fabricación procedentes de la Gigafactoría de Tesla/Panasonic.

Redwood también ha tomado lo que Straubel llama una decisión "pragmática" de incluir metales recién extraídos en sus productos por ahora. El níquel y el litio de su primer lote de material activo catódico sólo provendrán en un 30% de fuentes recicladas; el resto procederá de la minería.

El objetivo es estar preparados para cuando llegue el tsunami de las baterías, dice Straubel, y eso significa optimizar ahora el proceso de reciclado.

El camino a seguir

Mientras proseguía la construcción en el emplazamiento más grande, paseé por la sede de Redwood en Carson City, donde sus científicos siguen experimentando con el proceso hidrometalúrgico.

Los investigadores llevan trabajando en la recuperación química de los metales de las baterías de iones de litio desde finales de los años noventa. Las empresas chinas han sido las más rápidas, creando una amplia red de centros de reciclaje con el apoyo del gobierno.

Pero diseñar un sistema capaz de recuperar altos niveles de todos los metales más caros de las baterías no ha sido fácil. El litio ha resultado especialmente difícil. Straubel afirma que, de los cuatro metales en los que Redwood está más centrada, pueden recuperar casi el 100% del cobalto, el cobre y el níquel. En el caso del litio, la cifra ronda el 80%.

Pasar del laboratorio a las condiciones del mundo real también puede complicar aún más las cosas.

Mary Lou Lindstrom, jefa de hidrometalurgia de Redwood, me enseñó el laboratorio piloto de Carson City, que parecía una fábrica de cerveza artesanal, con equipos de acero inoxidable distribuidos por una sala cavernosa. Los investigadores se apiñaban en torno a un ordenador y uno de los grandes tanques metálicos.

Foto: En uno de los enormes almacenes de Redwood se guardan pilas usadas y otros desechos de fabricación de los fabricantes de pilas, mientras la empresa intensifica su proceso de reciclado. Crédito: REDWOOD MATERIALS 

Lindstrom explicó que estaban trabajando para producir la materia prima del primer lote de lámina de cobre comercial; la producción se iniciaría en las próximas semanas. La entrega a Panasonic estaba prevista para diciembre.

Un detalle técnico sigue obstaculizando la visión de Straubel de un ecosistema de baterías de circuito cerrado. Hasta ahora, el cobre que Redwood utilizaba para fabricar las láminas procedía de chatarra industrial, no de baterías. La empresa espera utilizar al menos parte del material de la batería en la lámina de cobre que acabe entregando a Panasonic para su uso en nuevas pilas. Pero la chatarra de cobre industrial es un material más predecible con el que trabajar.

Esta transición habla de un importante desafío potencial para los recicladores de baterías en el futuro: tendrán que lidiar con insumos impredecibles mientras crean productos predecibles y de alta calidad. Si los recicladores de baterías compiten por el material, este reto se magnificará, ya que las nuevas empresas podrían tener que aceptar materiales menos idóneos para sobrevivir.

Por ahora, Redwood puede complementar sus procesos con deshechos de fabricación, con la que suele ser más fácil trabajar, así como con material extraído. Pero a medida que aumenten los volúmenes de baterías viejas y se agote la oferta de litio extraído, aumentarán los retos para los recicladores.

"Cada vez más, la solución a algunos de estos problemas de sostenibilidad es electrificarlo y añadirle una batería. Pasé la mayor parte de mi carrera defendiendo eso y ayudando a acelerarlo", afirma Straubel.

"Pero, al mismo tiempo, es una cantidad fenomenal de pilas", añade.

Los vehículos eléctricos y otras opciones de transporte electrificado se están convirtiendo en una opción práctica. En muchas partes del mundo ya es más barato tener y conducir un vehículo eléctrico que un coche convencional. Y eso es una buena noticia para el clima: en la mayoría de los casos, los vehículos eléctricos producirán menos emisiones de gases de efecto invernadero a lo largo de su vida útil que los vehículos de gasolina.

Un reciclaje de baterías práctico y económico es clave para cumplir la promesa de los vehículos eléctricos. Aunque la ola de baterías agotadas puede tardar en llegar, la industria del reciclaje se está preparando ahora para lo que está por venir, porque la ejecución de esta nueva visión llevará décadas de progreso e innovación constantes. El aparcamiento de Redwood lleno de baterías desechadas es sólo el principio.

 

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