UCLA Anderson Global Supply Chain Blog

El valor (potencial) del rotulado en la cadena de suministro de baterías de litio

Kevin Popper, Julia Navarro, Amelia Lanfrankie y Felipe Caro

 

La demanda de vehículos eléctricos ha aumentado dramáticamente, a la par de la preocupación de los consumidores en cuanto a las emisiones de gases de efecto invernadero. En línea con esto, también ha aumentado la demanda de baterías de litio (Li-ion), y se espera que esta demanda siga creciendo: se cree que el índice de crecimiento compuesto anual del mercado de baterías de litio es del 14%, y que para 2025 el sector de transporte dará cuenta del 60% de ese mercado.^[1] Se espera que la demanda de materias primas como cobalto y cobre para la fabricación de baterías de litio para vehículos eléctricos aumente 10 veces para 2026.^[2]

Fuente de la imagen: “Electric Vehicle Outlook 2018 | Bloomberg New Energy Finance.” Bloomberg NEF, 2018, about.bnef.com/electric-vehicle-outlook/#toc-download

 

La demanda en aumento de estas materias primas se está convirtiendo en un problema costoso, ya que algunos materiales son relativamente escasos. El cobalto, un componente fundamental en las baterías de litio, triplicó sus precios desde 2016.^[3] La búsqueda de más materia prima llevó a los proveedores a obtenerlos de manera irresponsable, en mercados emergentes inestables. Por ejemplo, el 60% del cobalto proviene de la República Democrática del Congo, que explota como mano de obra a decenas de miles de niños de tan solo cuatro años de edad en sus minas.^[4]

 

Estos costos explícitos para la sociedad se pueden mitigar a través de prácticas de reciclaje responsable de las baterías de litio. Los índices de reciclado actuales en los Estados Unidos son notablemente bajos: se recicla solo el 5% de las baterías y solo se puede recuperar el 35% de los materiales de estas baterías para volver a utilizar.^[5] Las dos prácticas actuales más comunes de reciclaje, la pirometalurgia y la hidrometalurgia, son relativamente ineficientes y contribuyen al bajo nivel de recuperación de los materiales. El reciclado mediante pirometalurgia implica la incineración de baterías total o parcialmente procesadas y solo se recuperan algunos metales como cobalto, níquel, cobre y hierro para su reutilización.^[6] El reciclado mediante hidrometalurgia permite además recuperar litio, manganeso y aluminio, pero tienen un valor más bajo.^[7] El proceso además produce una cantidad importante de agua de desecho.

 

Proceso de pirometalurgia e hidrometalurgia Umicore Val’Eas

Fuente de la imagen: ResearchGate. Umicore Battery Recycling Process, www.researchgate.net/figure/Simplified-flow-sheet-of-the-Umicore-Battery-Recycling-Process-With-permission-of_fig5_283523469

 

 

Una solución propuesta es invertir en un proceso llamado separación física directa. La separación física directa es diferente, porque permite recuperar directamente y en su estado original dentro de la batería los óxidos de metal en los cátodos y los materiales de grafito procesado en los ánodos. Esto propicia la posibilidad de reutilización directa con un procesamiento adicional mínimo. Actualmente está en fase de laboratorio/demostración, pero tiene el potencial de ofrecer posibilidades económicas atractivas en escala, ya que el proceso tiene costos variables bajos. Requiere cantidades limitadas de combustible y otros materiales de procesamiento (como ácidos de deslave). Sin embargo, la separación física directa exige que todas las baterías sean del mismo tipo.

 

 

Proceso de reciclaje mediante separación física directa

Fuente de la imagen: ResearchGate. Toxco Recycling Process, www.researchgate.net/figure/Toxco-recycling-process_fig2_265158823

 

 

Para posibilitar la separación física directa, habría que implementarse varios cambios de infraestructura de reciclado. Uno importante consistiría en rotular las baterías con el detalle de sus componentes, para facilitar la clasificación por tipo de batería.^[8] En la actualidad, prácticamente no es posible distinguir las baterías de litio y la mezcla de sus diferentes componentes puede inutilizar los materiales. Por consiguiente, este rotulado debería ir acompañado de prácticas de clasificación para dirigir los diferentes tipos de baterías al proceso de separación física que corresponda. Estos cambios permitirían reciclar para usar en baterías nuevas los materiales que no se hubieran podido recuperar mediante procesos de pirometalurgia e hidrometalurgia (como el aluminio).

 

Obtuvimos datos de diversas fuentes para estimar el valor que podría generarse mediante la separación física directa (ver abajo). Nuestra estimación comparó el valor de los materiales que podrían recuperarse a través del proceso de reciclado dominante, el proceso pirometalúrgico Umicore Val’Eas, con respecto al proceso de reciclado físico directo. No elaboramos un modelo de costos para estos procesos competitivos, debido a la gran cantidad de información incierta. En este sentido, nuestra estimación de ahorros en costos se centra exclusivamente en las diferencias en los valores de los materiales recuperados para el período 2026-2040. Estimamos que el ahorro acumulativo en costos a partir del uso de reciclado físico directo (que sería posible si se implementara un sistema de rotulado de baterías) sería de $212 mil millones de 2026 a 2040, con $43 mil millones de ahorros solo en 2040. Por consiguiente, hay un enorme valor que se puede extraer de la cadena de suministro de baterías.

 

 

Datos y suposiciones utilizados para el cálculo del ahorro:

 

1. Consumo/disponibilidad de baterías: estimaciones basadas en el consumo global de baterías proyectado por BNEF hasta 2030.
2. Vida útil de la batería: se asume que es de 8 años de funcionamiento antes de ingresar al sistema de reciclaje
3. Estimaciones de composición de materiales: estimaciones basadas en la participación de mercado de 2025 de la composición química de cada batería, según pronósticos de McKinsey
4. Índices de recuperación de materiales: estimaciones basadas en investigaciones de Linda Gaines y del modelo ReCell disponible al público, ambos de Argonne National Labs
5. Valor material: estimaciones basadas en los modelos de ReCell de 2018 y los precios según LME

 

 

^[1] “Lithium-ion batteries: Market development and the impact on raw materials,” Roskill, 2017, https://roskill.com/news/lithium-ion-batteries-market-development-impact-raw-materials/

^[2] “Electric Vehicle Outlook 2018 | Bloomberg New Energy Finance.” Bloomberg NEF, 2018, about.bnef.com/electric-vehicle-outlook/#toc-download

^[3] “LME COBALT, Historical Prices Graph,” The London Metal Exchange, Jan. 26, 2018, https://tinyurl.com/yco5v627

^[4] “The Toll of the Cobalt Mining Industry on Health and the Environment.” CBS News, CBS Interactive, 6 de marzo de 2018, www.cbsnews.com/news/the-toll-of-the-cobalt-mining-industry-congo/

^[5] “IN DEPTH: Lithium Battery Recycling - The Clean Energy Clean Up.” « Landfill « Waste Management World, 27 de abril de 2018, waste-management-world.com/a/in-depth-lithium-battery-recycling-the-clean-energy-clean-up

^[6] “Lithium Ion Battery Recycling: Using Lifecycle Analysis to Avoid Roadblocks,” Argonne National Laboratory. naatbatt.org/wp-content/uploads/2016/12/Gaines_Quantifying-the-Contribution-of-Advanced-Battery-Recycling.pdf

^[7]  “Lithium Ion Battery Recycling: Using Lifecycle Analysis to Avoid Roadblocks,” Argonne National Laboratory. naatbatt.org/wp-content/uploads/2016/12/Gaines_Quantifying-the-Contribution-of-Advanced-Battery-Recycling.pdf

^[8] “The future of automotive lithium-ion battery recycling: Charting a sustainable course,” Sustainable Materials and Technologies. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214993714000037

锂离子电池加标签能为供应链带来的（潜在）价值

Kevin Popper、Julia Navarro、Amelia Lanfrankie与 Felipe Caro

 

随着消费市场日益关注温室气体排放问题，电动车的市场需求一时剧增。锂离子电池的消费需求也相应增长，预期涨势将持续——截至2025年，锂 (Lithium)离子电池市场复合年均增长率（CAGR）预计可达14%，其中交通行业占比60%。^[1] 电动车带动的对钴、铜等锂离子电池原材料的需求，截至2026年，预计将会增长10倍。^[2]

图表来源：《2018年电动车前景展望 | 彭博新能源财经》，Bloomberg NEF，2018年，about.bnef.com/electric-vehicle-outlook/#toc-download

 

由于这些原材料中部分材料相对稀缺，需求上涨使得成本高昂。钴 (Colbart)是锂离子电池中的重要成分，2016年以来价格已经翻了三倍。^[3]为寻求更多原材料，供应商们在不稳定的新兴市场，不负责任的进行开采。例如，60%以上的钴来自刚果民主共和国，那里的采矿场雇佣数万名年龄低至四岁的童工。^[4]

 

通过采取更加负责的锂离子电池回收措施，可以减小这些显性的社会成本。美国目前的回收率极低: 只有5%的电池得到回收，其中仅35%的电池材料可以经过回收投入使用。^[5] 目前两种最常用的回收措施是火法冶金和湿法冶金，但效率都比较不理想，导致材料回收率低下。火法冶金回收法需要焚烧完全或部分处理过的电池，且仅有少数金属 (钴、镍、铜和铁) 能够得到回收再利用。^[6] 湿法冶金回收法可以更大量地回收锂、锰和铝，但回收所得的这些材料价值较低。^[7] 处理过程中还会产生大量废水。

 

Umicore Val’Eas 火法冶金 + 湿法冶金回收过程

图表来源：ResearchGate：《Umicore 电池回收法》，www.researchgate.net/figure/Simplified-flow-sheet-of-the-Umicore-Battery-Recycling-Process-With-permission-of_fig5_283523469

 

 

有人提议采用一种名为直接物理分离法的解决方案。直接物理分离法的不同之处在于，电池正极的金属氧化物与电池负极的加工石墨材料能直接以电池级形态原样再生——这使得精简额外加工、直接再利用成为可能。虽然它目前尚处于实验/演示阶段，却具有诱人的规模化经济前景，它的变动成本很低——只需要有限的燃料及额外加工材料（如酸浸液）即可。不过，直接物理分离法要求所有电池均为相同类型。

 

直接物理分离法回收过程

图表来源：ResearchGate：《Toxco 回收法》，www.researchgate.net/figure/Toxco-recycling-process_fig2_265158823

 

 

若要使直接物理分离法可行，就需要实施一些回收相关的基础变革——尤其是为电池设置标签，标出其成分，以便后续根据电池类型进行分类。^[8] 锂离子电池目前基本无从区分，材料成分不同的电池混合回收会导致材料无法再利用。因此分类过程中需要借助添加标签，来将不同类型的电池归入各自相应的物理分离法。通过这些变革，火法冶金或湿法冶金无法回收的材料（如铝）将有办法得到回收，用于制造新电池。

 

我们多方收集数据，预估了直接物理分离法可能产生的价值（如下）。我们在估算中将当下盛行的Umicore Val’Eas火法冶金回收法与直接物理分离回收法可能再生的材料价值进行了比较。我们没有做这两种回收法的成本模型，因为这其中存在较大的不确定性。我们的节约成本估算只考量2026年至2040年期间再生材料的价值差异。我们估计，直接物理分离回收法（可行前提是为电池加标签）在2026—2040年间可累计节约成本2,120亿美元，其中单是2040年一年就能节约430亿美元。因此，供应链中的电池有巨大价值有待解锁。

 

节约计算中用到的数据与假设：

 

1. 电池消费/供应情况：预估数据基于彭博新能源财经（BNEF）2030年全年全球电池消费推测数据
2. 电池寿命：投入回收环节之前约有8年使用寿命
3. 材料成分预估：预估数据基于麦肯锡公司预测报告中的2025年每种电池化工材料市场份额
4. 材料再生率：预估数据基于Linda Gaines的研究结果与开放公示的ReCell模型——二者均由美国阿贡国家实验室提供
5. 材料价值：预估数据基于2018年ReCell模型输入与伦敦金属交易所（LME）标价

 

 

^[1] 《锂离子电池： 市场发展及其对于原材料的影响》，Roskill，2017年，https://roskill.com/news/lithium-ion-batteries-market-development-impact-raw-materials/

^[2] 《2018年电动车前景展望 | 彭博新能源财经》，Bloomberg NEF，2018年，about.bnef.com/electric-vehicle-outlook/#toc-download

^[3] 《伦敦金属交易所钴价历史图表》，伦敦金属交易所，2018年1月26日，https://tinyurl.com/yco5v627

^[4] 《钴矿开采产业的健康与环境损害》，CBS News，CBS Interactive，2018年3月6日，www.cbsnews.com/news/the-toll-of-the-cobalt-mining-industry-congo/

^[5] 《深度报告： 锂电池回收——清洁能源的清理问题》，« 垃圾填埋 « 全球废料管理，2018年4月27日，waste-management-world.com/a/in-depth-lithium-battery-recycling-the-clean-energy-clean-up

^[6] 《锂离子电池回收： 分析生命周期，规避障碍》，美国阿贡国家实验室，naatbatt.org/wpcontent/uploads/2016/12/Gaines_Quantifying-the-Contribution-of-Advanced-Battery-Recycling.pdf

^[7] 《锂离子电池回收： 分析生命周期，规避障碍》，美国阿贡国家实验室，naatbatt.org/wpcontent/uploads/2016/12/Gaines_Quantifying-the-Contribution-of-Advanced-Battery-Recycling.pdf

^[8] 《车用锂离子电池回收的未来： 可持续发展路线规划》，Sustainable Materials and Technologies 期刊。https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214993714000037

The (Potential) Value of Labeling in the Lithium Ion Battery Supply Chain

Kevin Popper, Julia Navarro, Amelia Lanfrankie, and Felipe Caro

Demand for electric vehicles has risen dramatically alongside consumer concerns about greenhouse gas emissions. Correspondingly, demand for lithium-ion batteries has also increased and is expected to continue increasing – the lithium-ion battery market is thought to have a CAGR of 14%, with the transport sector accounting for 60% of the market by 2025.^[1] Electric vehicle driven demand for lithium-ion battery raw materials such as cobalt and copper is expected to increase 10x by 2026.^[2]

 

Image source: “Electric Vehicle Outlook 2018 | Bloomberg New Energy Finance.” Bloomberg NEF, 2018, about.bnef.com/electric-vehicle-outlook/#toc-download

Increasing demand for these raw materials is becoming a costly problem as certain materials are relatively scarce. Cobalt, a critical component in lithium ion batteries, has had prices triple since 2016.^[3] The search for more raw materials has led suppliers to source irresponsibly from unstable emerging markets. For example, over 60% of cobalt comes from the Democratic Republic of Congo, which uses the labor of tens of thousands of children as young as four years old in its mines.^[4]

 

These explicit and societal costs can be mitigated through more responsible lithium-ion battery recycling practices. Current recycling rates in the United States are remarkably low – only 5% of batteries are recycled and only 35% of the materials from these batteries can be recovered to be used.^[5] Both current most common recycling practices pyrometallurgical and hydrometallurgical are relatively inefficient, contributing to low materials recovery rates. Pyrometallurgical recycling involves incinerating whole/partially processed batteries and only several metals – cobalt, nickel, copper, and iron – are recovered for reuse.^[6] Hydrometallurgical recycling can additionally recover lithium, manganese and aluminum, but they are in lower in value.^[7] The process also produces a good deal of waste water.

 

Umicore Val’Eas Pyrometallurgical + Hydrometallurgical Process

Image source: ResearchGate. Umicore Battery Recycling Process, www.researchgate.net/figure/Simplified-flow-sheet-of-the-Umicore-Battery-Recycling-Process-With-permission-of_fig5_283523469

 

A proposed solution is to invest in a process called direct physical separation. Direct physical separation is different, because it allows metal oxides in cathodes and processed graphite materials in anodes to be directly recovered in their original battery-grade state – creating the potential for direct reuse with minimal additional processing. It is currently in the lab/demonstration phase but has the potential to offer attractive economics with scale as the process has low variable costs – it requires limited fuel and additional processing materials (like leaching acids). However, direct physical separation requires all batteries to be of the same type.

 

Direct Physical Separation Recycling Process

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Image source: ResearchGate. Toxco Recycling Process, www.researchgate.net/figure/Toxco-recycling-process_fig2_265158823

Several recycling infrastructure changes would have to be implemented to enable direct physical separation – a significant one is labeling batteries with their component parts to allow sorting by battery type.^[8] Currently lithium-ion batteries are nearly indistinguishable and blending of the component materials of different batteries can render the materials useless. This labeling would then need to be accompanied by sorting practices to direct different battery types into the proper physical separation process. These changes would allow materials that would have been irrecoverable using pyrometallurgical or hydrometallurgical processes (e.g. aluminum) to be recycled into new batteries.

 

Data was drawn from several sources to estimate the value that could be generated by direct physical separation (see below). Our estimate compared the value of potentially recovered materials for the dominant recycling process, the Umicore Val’Eas pyrometallurgical process, to direct physical recycling process. We did not model costs for these competing processes due to large uncertainties. As such, our cost savings estimate only focused on differences in recovered material value from the time period of 2026 to 2040. We estimate the cumulative cost savings from direct physical recycling (enabled via battery labeling) is $212 billion from 2026-2040, with $43 billion in savings occurring in 2040 alone. Hence, there is significant value in the supply chain for batteries waiting to be unlocked.

 

Data and assumptions used in savings calculation:

 

1. Battery consumption/availability: estimates based projected global battery consumption from BNEF through 2030
2. Battery lifetime: assumed 8 years in operation before entering recycling stream
3. Material composition estimates: estimates based on 2025 share of market for each battery chemistry based on McKinsey forecasts
4. Material recovery rates: estimates based on research of Linda Gaines and publicly available ReCell model - both by Argonne National Labs
5. Material value: estimates based on 2018 ReCell model inputs and LME pricing

 

 

^[1] “Lithium-ion batteries: Market development and the impact on raw materials,” Roskill, 2017, https://roskill.com/news/lithium-ion-batteries-market-development-impact-raw-materials/

^[2] “Electric Vehicle Outlook 2018 | Bloomberg New Energy Finance.” Bloomberg NEF, 2018, about.bnef.com/electric-vehicle-outlook/#toc-download

^[3] “LME COBALT, Historical Prices Graph,” The London Metal Exchange, Jan. 26, 2018, https://tinyurl.com/yco5v627

^[4] “The Toll of the Cobalt Mining Industry on Health and the Environment.” CBS News, CBS Interactive, 6 Mar. 2018, www.cbsnews.com/news/the-toll-of-the-cobalt-mining-industry-congo/

^[5] “IN DEPTH: Lithium Battery Recycling - The Clean Energy Clean Up.” « Landfill « Waste Management World, 27 Apr. 2018, waste-management-world.com/a/in-depth-lithium-battery-recycling-the-clean-energy-clean-up

^[6] “Lithium Ion Battery Recycling: Using Lifecycle Analysis to Avoid Roadblocks,” Argonne National Laboratory. naatbatt.org/wp-content/uploads/2016/12/Gaines_Quantifying-the-Contribution-of-Advanced-Battery-Recycling.pdf

^[7]  “Lithium Ion Battery Recycling: Using Lifecycle Analysis to Avoid Roadblocks,” Argonne National Laboratory. naatbatt.org/wp-content/uploads/2016/12/Gaines_Quantifying-the-Contribution-of-Advanced-Battery-Recycling.pdf

^[8] “The future of automotive lithium-ion battery recycling: Charting a sustainable course,” Sustainable Materials and Technologies. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214993714000037