Recuperación de metales de vehículos eléctricos: separación magnética

Este artículo fue escrito originalmente por el profesor Neil Rowson, profesor emérito de la Escuela de Ingeniería Química de la Universidad de Birmingham, y ha sido reescrito para adaptarse a una audiencia estadounidense.

Minería del entorno urbano

Las reservas de materias primas se han visto sometidas a una gran presión debido al aumento global previsto de la producción y el consumo de vehículos eléctricos y otros productos electrónicos. Como resultado, los fabricantes se están alejando de simplemente determinar mejores formas de extraer minerales crudos y, en cambio, están buscando formas de recuperar, reutilizar y reciclar mejor los materiales secundarios. Esto se conoce como "Minería del entorno urbano".

Muchos gobiernos han intentado controlar parcialmente algunas cadenas de suministro de material secundario. Esto se debe a que los metales críticos tienen un alto valor estratégico.

Una gran cantidad de productos de alta tecnología, corrientes de desechos de alto valor e industrias de la electrónica ya han establecido rutas de reciclaje. Por ejemplo:

• Reciclaje de metales del grupo del platino a partir de autocatalizadores

• Recuperación de metales del grupo del platino del polvo de la carretera

• Reciclaje de artículos específicos de automóviles a gasolina y diésel, como baterías (plomo)

• Autocatalizador (Pt, Pd, Rh), radiador (Cu) y reciclaje general de metales base

• Procesamiento de residuos electrónicos (RAEE) (Cu, Al, Ag, Au, Platinum Group Metals)

• Reciclaje de baterías domésticas (litio y otros metales)

• Reciclaje de plástico y vidrio (tecnología madura)

A medida que ocurren nuevos desarrollos tecnológicos, el panorama del reciclaje cambia constantemente en respuesta. Los nuevos desarrollos tecnológicos pueden alterar tanto la ubicación como la cantidad de metales valiosos que pueden estar presentes en un producto de desecho. Con frecuencia, esto conduce a una mayor complejidad de la recuperación de metales. Los cambios en curso presentan enormes desafíos continuos para la industria del reciclaje. Algunos ejemplos de metales que se espera sean de alto valor en el futuro incluyen:

• Metales del grupo del platino de desechos médicos

• Elementos de tierras raras procedentes de residuos de automóviles, discos duros de ordenadores, teléfonos móviles, turbinas eólicas, etc.

• Grafito de residuos de acero (grafito Kish)

• Litio, cobalto, grafito y níquel de baterías de automóvil de iones de litio

• Germanio / galio de cenizas volantes de carbón

Una “minería urbana” exitosa puede reducir la demanda de reservas de materias primas primarias al recuperar metales y otros materiales valiosos de los desechos. La minería urbana también puede ampliar la ubicación de origen de los materiales y, por lo general, las tendencias hacia las ubicaciones de origen se vuelven más localizadas. Esto lleva a que se reduzcan los costos de transporte y se estabilicen los precios. Esto es particularmente beneficioso en el caso de materiales geográficamente limitados como los imanes de neodimio, de los cuales más de 90% se suministran actualmente desde China.

Definición de materiales críticos y estratégicos

Al considerar la minería urbana, la Unión Europea ha elaborado evaluaciones críticas basadas en la importancia económica y la preocupación por el suministro de materiales clave. Estas evaluaciones se actualizan periódicamente.

Al realizar las evaluaciones, la Unión Europea identificó los elementos de tierras raras como un material muy crítico. Los Estados Unidos Departamento de Energía y Departamento de Defensa también han identificado elementos de tierras raras como material crítico. Los elementos de tierras raras son componentes clave en la fabricación de artículos como artículos electrónicos, discos duros de computadora, turbinas eólicas y vehículos eléctricos / híbridos.

Se utiliza una cantidad mucho mayor de imanes de tierras raras en vehículos eléctricos e híbridos en comparación con los motores de combustión tradicionales. Para abordar los problemas de suministro anticipados de elementos de tierras raras, la UE está financiando proyectos de investigación como SUMSAGPRO y DEMETER. Bunting es un miembro clave y colaborador de DEMETER, así como Magnet Materials Group (MMG) de la Universidad de Birmingham. El objetivo principal de estos grupos es identificar procesos para recuperar, reutilizar y / o reciclar imanes de tierras raras de fuentes secundarias, además de desarrollar tecnología que creará una nueva generación de imanes "reciclados" que sean capaces de lograr el mismo rendimiento magnético. como imanes hechos de materias primas.

Imanes de tierras raras en vehículos eléctricos

Los imanes de tierras raras (imanes de cobalto de neodimio y samario) son fundamentales para muchos componentes clave de los vehículos eléctricos. Se pueden encontrar en motores que incluyen motores de dirección asistida, motores de parada, motores de limpiaparabrisas, ventanas eléctricas y motores de accionamiento. También se pueden encontrar en generadores, como sistemas de frenado regenerativo y extensores de rango. Los imanes de tierras raras también son esenciales para los altavoces y muchos otros motores pequeños que se encuentran en los vehículos eléctricos. Se estima que cada nuevo automóvil eléctrico que se produce contiene entre 4 y 11 libras de imanes de tierras raras.

Materiales críticos

La UE enumera los metales del grupo del platino (PGM: platino, paladio, rodio) como materiales críticos y estratégicos. Estos metales son componentes clave en condensadores y componentes electrónicos sofisticados. Los PGM son cada vez más comunes en los residuos de trituradoras automáticas, así como en los flujos de desechos electrónicos. Debido al alto precio de mercado de los PGM, las empresas de reciclaje están cada vez más interesadas en estos materiales.

Las baterías de iones de litio, conocidas por su capacidad de recarga, también se utilizan cada vez más. Las baterías de litio se pueden encontrar en productos electrónicos como teléfonos móviles, herramientas eléctricas, cámaras, computadoras portátiles y muchos otros artículos de uso diario. A medida que los vehículos electrónicos crecen en popularidad, se espera que aumente drásticamente la demanda de imanes de tierras raras utilizados en los motores de propulsión de vehículos eléctricos, así como la demanda de baterías de litio. Si la demanda aumenta como se espera, podría haber problemas potenciales de suministro futuro para materiales de origen ético como grafito, níquel, cobalto y litio.

Además, como los vehículos eléctricos e híbridos comenzarán inevitablemente a llegar a las instalaciones de reciclaje de automóviles, se presentarán aún más desafíos nuevos. Debido a que la naturaleza de los materiales ha cambiado y los materiales secundarios han visto simultáneamente un aumento de valor, el reciclaje de componentes de alto valor se volverá más viable económicamente como resultado.

Desafíos a los que se enfrentan los recicladores de automóviles con el inicio del reciclaje de vehículos eléctricos

Reutilizar versus reciclar

Con el tiempo, la eficiencia operativa de las baterías de iones de litio para automóviles caerá por debajo de un nivel especificado, momento en el que el reemplazo se convierte en la única opción. Lo que suceda a continuación con las baterías extraídas depende del estado de las baterías, así como de las celdas muertas. Actualmente, la opción más favorable es que la batería se reutilice en una aplicación menos exigente. Muchas empresas ahora ofrecen este servicio, que reutiliza las baterías en funcionamiento para un almacenamiento de energía menos exigente a escala global. Sin embargo, una vez que la vida útil de una batería llega a su fin, la batería debe desecharse o reciclarse de manera segura, preferiblemente reciclada.

Los principales impulsores comerciales y éticos para la reutilización y el reciclaje de baterías incluyen:

• Menor costo de CO2.

• Acceso y control de materiales críticos y elementos estratégicos.

• Preocupaciones éticas de las materias primas mineras, incluido el bienestar de los trabajadores y las comunidades locales, así como los costos ambientales.

• Posibles dificultades para exportar residuos de baterías. Por ejemplo, BREXIT puede causar dificultades con las exportaciones a la UE, y países como China continúan imponiendo restricciones más estrictas con respecto a la aceptación de materiales de desecho importados.

• Uso sostenible de los recursos de la Tierra (incluidos cobalto, grafito y litio).

Estructura y química de las baterías de iones de litio para vehículos

La química y el diseño de las baterías de vehículos eléctricos evolucionan continuamente y se observan mejoras continuas en la eficiencia operativa. 

Los diseños de baterías de iones de litio convencionales consisten en:

• Láminas de cobre recubiertas de grafito para formar ánodos.

• Lámina de aluminio recubierta de óxidos de manganeso, cobalto y níquel para formar el cátodo.

• El electrolito comprende hexafluorofosfato de litio (LiPF6) disuelto en una mezcla de carbonatos orgánicos. La mezcla contiene principalmente carbonato de etileno, carbonato de dietilo y carbonato de etil-metilo con trazas de aditivos para el rendimiento del electrolito.

La bolsa de la batería de una batería de automóvil de iones de litio variará en química y diseño según las especificaciones del fabricante del vehículo individual.

El primer paso en el proceso de reciclaje es descargar de forma segura la bolsa de la batería. Después de desecharse, la bolsa se tritura y se seca, dejando una mezcla de material de ánodo, material de cátodo, plásticos y polvo negro (masa negra). Este proceso es muy similar al proceso de reciclaje de RAEE o residuos electrónicos.

Una vez que los materiales individuales han sido liberados por trituración, se aplican técnicas de separación física para permitir la segregación del material en concentraciones de ánodo, cátodo, plástico y masa negra. La distribución de partículas de la batería triturada está determinada por la geometría y el cribado de la hoja triturada. La tecnología de separación física utilizada en este proceso incluye separadores magnéticos, separadores de corrientes parásitas y separadores electrostáticos.

Para reciclar eficazmente las baterías de iones de litio de los vehículos, los residuos deben procesarse físicamente correctamente. Al utilizar la combinación correcta de trituración, segregación física y clasificación por medio de separación magnética y separación por corrientes parásitas como dos tipos de equipos clave, los materiales metálicos y de óxido de metal se separarán y concentrarán eficazmente de la estructura de la batería.

¿Por qué la ruta de separación física hacia el reciclaje?

Se pueden obtener muchos beneficios importantes al reciclar las baterías mediante técnicas de separación física:

• No hay cambios en la estructura o química del material.

• La separación puede tener lugar en función de diferentes propiedades físicas del material.

• Bajo consumo de energía.

• Bajos costos operativos.

• Adapta la tecnología existente con resultados probados.

• Reduce los costos generales de procesamiento al permitir la concentración de materiales individuales para costosos procesos posteriores.

Equipo de separación típico para vehículos eléctricos

Separación de metales ferrosos y no ferrosos

En 2018, el proyecto de investigación de reciclaje de baterías de automóvil de iones de litio ReLib se asoció con Bunting para crear un módulo piloto de separación de metales a escala de planta. Este ejemplo de un módulo de separación de metales en una aplicación de reciclaje de baterías incorpora un imán de tambor de tierras raras de alta resistencia y un Separador de Corriente Eddy. Este módulo puede separar el material de la bolsa de plástico y las estructuras de la batería de polímero de los materiales del ánodo y del cátodo.

Durante el funcionamiento, un alimentador vibratorio alimenta uniformemente el material triturado sobre la superficie giratoria de un imán de tambor. Los materiales fuertemente magnéticos y débilmente magnéticos son luego atraídos, retenidos y luego depositados lejos del material no magnético restante.

Hacer clic por Información técnica sobre el Separador de Corriente Eddy 

Un separador de corrientes de Foucault está diseñado para tener una cinta transportadora corta, que coloca un impulsor en el extremo de retorno e instala un sistema de rotor magnético de alta velocidad en el extremo de descarga. Dentro de un tambor no metálico que gira por separado, hay un rotor magnético. Este rotor gira a aproximadamente 3000 revoluciones por minuto mientras está en funcionamiento, mientras que la cubierta exterior del tambor gira a la misma velocidad que la cinta transportadora.

A medida que gira el rotor del separador de corrientes de Foucault, se induce una corriente eléctrica en cualquier metal conductor, como zinc, cobre y aluminio. Esta corriente eléctrica inducida produce un campo magnético, que luego se opone al campo creado por el rotor y da como resultado que los metales conductores sean repelidos sobre una placa divisora colocada previamente. Luego, los materiales restantes caerán en una trayectoria normal lejos del área de separación, separándolos efectivamente de los metales repelidos.

Resumen

La popularidad de los vehículos eléctricos aumenta cada vez más con cada año que pasa. A medida que los consumidores compren y utilicen más vehículos eléctricos, también aumentará la cantidad de vehículos eléctricos que llegan al final de su vida útil y que requieren que sean reciclados de manera efectiva. Reutilizar baterías de vehículos eléctricos es, con mucho, la opción preferida, pero eventualmente, las baterías no viables deben desecharse y reciclarse de manera segura. Si bien esta es una industria muy nueva, el entorno de separación magnética Bunting ya ha demostrado ser una herramienta valiosa en el reciclaje de vehículos eléctricos y la minería urbana.

Este artículo fue escrito originalmente por el profesor Neil Rowson, profesor emérito de la Escuela de Ingeniería Química de la Universidad de Birmingham, y ha sido reescrito para adaptarse a una audiencia estadounidense.