Circularity and life cycle environmental assessment of batteries for electric vehicles

Abstract

Battery electric vehicles (EV) are being promoted worldwide as a sustainable alternative to petrol fuelled vehicles. At least 30 million EV are forecast to be operational in the European Union by 2030. Although EVs generate zero tail-pipe greenhouse gas emissions (GHG) during their operation, they produce several environmental impacts during their life cycle. The battery is one of the main contributors of these environmental impacts, representing almost 50% of the EVs life cycle GHG emissions. Therefore, the scientific community highlights the improvement of battery technologies as a key step towards the development of more sustainable EVs. However, imprecise data on battery designs, the limited case studies available assessing and/or comparing alternative products, and the scarcity of sector-specific criteria and indicators have been identified as knowledge gaps for the integration of suitable circular economy (CE) and environmental sustainability practices for EV batteries. These research gaps hinder the assessment of critical hotspots and key areas for improvement to maximise the resource efficiency and environmental performance of EV batteries and, hence, the vehicles themselves. CE strategies, which focus on narrowing, slowing, and closing resource loops, can be highly beneficial when applied to battery design and life cycle management, aiming to reduce resource consumption and minimize the environmental impacts of EV batteries. However, applying CE solutions does not automatically guarantee improved environmental performance. If not carefully planned, implemented, and managed with a life cycle and systems thinking approach, there is a risk of environmental burden shifting or negative rebound effects. To ensure that CE strategies truly contribute to sustainability, it is essential to use science-based, robust tools like Life Cycle Assessment (LCA). LCA provides critical insights into the impacts associated with every stage of the EV battery life cycle from raw material extraction and processing to manufacturing, operation, and waste management. By leveraging LCA, stakeholders can identify and apply the most effective CE strategies, ensuring that these interventions genuinely lead to reduced environmental impacts and sustainable outcomes in the sector. Consequently, this doctoral thesis is aimed at analysing the circularity and life cycle environmental sustainability performance of EV batteries to provide information, data and guidelines for stakeholders pursuing sustainable product development and management. To fulfil the general objective, three specific objectives were defined: i) To review the literature on circularity and LCA studies for EV batteries, in order to identify challenges and best practices for the sustainable life cycle management of batteries. ii) To assess the stakeholder perception on the applicability of circularity design criteria and indicators for EV batteries life cycle management. iii) To evaluate the circularity and environmental sustainability of alternative EV batteries and determine the correlation between circularity and environmental savings. The literature review showed that nickel manganese cobalt batteries dominated the research landscape (45%). Regarding the assessment of the batteries’ circularity performance, the most promising CE strategies to improve the environmental sustainability were related to the end of life stage, with 82% of the revised articles focused on recycling. The life cycle environmental impacts for batteries varied widely, ranging from 4,400 kg CO2 eq. to 55,000 kg CO2 eq. for a complete battery lifetime. This variation is influenced by several factors that are contingent upon the practitioners’ choices, including the type of battery chemistry considered, the impact assessment methods employed, the inventories available for use, and the specific CE scenario being analysed. Regarding to the perception of stakeholders on circularity criteria and indicators, 30 circularity criteria and 15 indicators relevant to the EV battery sector were analysed. The 24 interviewed experts were chosen covering every life cycle stage of the battery, from the design to the end of life. The results indicated that criteria related with the recycling aspects were not considered suitable for application (< 25% of suitability score). This was due to the generalised opinion of stakeholders that they did not have control over the end of life of the battery. Instead, the most valued criteria were related to the use phase and the business model for the EV batteries (> 75% suitable). The evaluation of indicators suitability, however, showed that every circularity indicator included the recycling stage of the EV battery for their results. This demonstrated a mismatch between the stakeholders’ needs and the available indicators, where future research should focus on defining and aligning specific circularity criteria and indicators for EV batteries to support and monitor sustainable innovation. Lastly, circularity and environmental sustainability were analysed and correlated for two batteries and two recycling methods, by means of circularity indicators and LCA calculations. The nickel manganese cobalt chemistry was 6-25% more circular than lithium iron phosphate, showing 3%-6% lower Global Warming Potential (GWP) and 12%-16% lower Abiotic Depletion Potential of minerals (ADPm) per kWh delivered. The 13%-24% higher material recovery of the nickel manganese cobalt battery is the main determinant of the improved circularity and environmental performance. Likewise, the results highlight raw material selection, total lifetime, electricity mix, and efficient recycling processes as critical for the environmental sustainability of EV batteries, characteristics that might not be adequately measured by only calculating circularity indicators. This PhD thesis opens the chance to continue the research in the future on topics such as performing a circularity and LCA analysis of a real case study of an innovative EV battery. The acquired knowledge can be expanded to other battery applications such as renewable energies, components of electric vehicles such as the electric engine, and other mobility aspects and transportation modes, for example electric buses or trains. Regarding the circularity criteria and indicators, the necessary sector-specific metrics could be developed and included in a decision-making tool to integrate holistic CE thinking through the selection and prioritisation of adequate circularity design criteria and indicators. Finally, future research could be oriented towards the scaling-up of the EV batteries, combining the analysis of circular business models and the value chain with material flow analysis and prospective LCA, in order to outline the needs of the EV battery sector at regional, national and international level.

Bateriazko ibilgailu elektrikoak (EV) gasolina bidez propultsatutako ibilgailuen alternatiba iraunkor gisa sustatzen ari dira mundu osoan. Aurreikuspenen arabera, gutxienez 30 milioi EV egongo dira martxan Europar Batasunean 2030erako. Nahiz eta EVek ez duten berotegi-efektuko gasen (BEG) isurketarik sortzen beren eragiketan, hainbat ingurumen-inpaktu eragiten dituzte beren bizi-zikloan zehar. Bateria da ingurumen-inpaktu horien zergadun nagusietako bat, eta EVen bizi-zikloko berotegi-efektuko isurketen ia % 50 eragiten du. Horrenbestez, komunitate zientifikoak nabarmendu du baterien teknologien hobekuntza funtsezko urratsa dela EV iraunkorragoak garatzeko bidean. Hala ere, baterien diseinuari buruzko datu zehatzik eza, produktu alternatiboak ebaluatu eta/edo alderatzen dituzten kasuen azterketen eskuragarritasun mugatua, eta sektoreko irizpide eta adierazle espezifikoen eskasia ezagutza-hutsune gisa identifikatu dira ekonomia zirkularreko (EZ) praktika egokiak eta ingurumen-jasangarritasuna integratzeko, EVen baterietarako. Ikerketako hutsune horiek zaildu egiten dute puntu kritikoak eta hobetzeko funtsezko arloak ebaluatzea, baliabideen eraginkortasuna eta ingurumen-errendimendua maximizatzeko EVen baterietan eta, ondorioz, ibilgailuetan. EZren estrategiak, baliabideen zikloak estutzea, moteltzea eta ixtea xede dutenak, onuragarriak izan daitezke baterien diseinuan eta haien bizi-zikloaren kudeaketan aplikatzen direnean, baliabideen kontsumoa murrizteko eta EVen baterien ingurumen-inpaktuak minimizatzeko. Hala ere, EZ soluzioak aplikatzeak ez du automatikoki bermatzen ingurumen-errendimendu hobea. Bizi-zikloaren eta pentsamendu sistemikoaren ikuspegitik kontu handiz planifikatu, inplementatu eta kudeatzen ez badira, ingurumen-karga lekuz aldatzeko edo errebote-efektu negatiboak sortzeko arriskua dago. EZren estrategiek jasangarritasunari benetan lagunduko diotela ziurtatzeko, funtsezkoa da tresna sendoak eta zientzian oinarritutakoak erabiltzea, hala nola Bizi Zikloaren Analisia (BZA). BZAk informazio kritikoa ematen du EVaren bateriaren bizi-zikloaren etapa bakoitzarekin lotutako inpaktuei buruz, lehengaiak erauztetik eta prozesatzetik, hondakinen fabrikazio, eragiketa eta kudeaketaraino. BZA aprobetxatzean, alderdi interesdunek EZ estrategia eraginkorrenak identifika eta aplika ditzakete, esku-hartze horiek ingurumen-inpaktuak murriztea eta sektorean emaitza jasangarriak lortzea benetan ekarriko dutela ziurtatuz. Ondorioz, doktorego-tesi honen helburua da ingurumen-iraunkortasunaren zirkulartasuna eta jarduna aztertzea EVren baterien bizi-zikloan zehar, produktu jasangarrien garapena eta kudeaketa bilatzen duten alderdi interesdunei informazioa, datuak eta jarraibideak emateko. Helburu orokorra betetzeko, hiru helburu espezifiko zehaztu ziren: i) Zirkulartasunari buruzko literatura eta EVen baterietarako BZAren azterketak ikuskatzea, baterien bizi-zikloaren kudeaketa jasangarrirako erronkak eta jardunbide hobeak identifikatzeko. ii) Diseinu zirkularreko irizpideen aplikagarritasunari eta EVen baterien bizi-zikloa kudeatzeko adierazleei buruzko alderdi interesdunen pertzepzioa ebaluatzea. iii) EV batería desberdinen zirkulartasuna eta ingurumen-iraunkortasuna ebaluatzea eta zirkulartasunaren eta inpaktu-aurrezkien arteko korrelazioa zehaztea. Literaturaren ikuskatzeak erakutsi zuen nikel manganesozko bateriak ( % 45) nagusi izan zirela ikerketaren panoraman. Baterien zirkulartasunaren jardunaren ebaluazioari dagokionez, ingurumen-jasangarritasuna hobetzeko EZ estrategia oparoenak bizitza-amaierako etaparekin lotuta zeuden, aztertutako artikuluen % 82rekin. Literaturaren berrikuspenak erakutsi zuen nikel manganesozko bateriak ( % 45) nagusi izan zirela ikerketaren panoraman. Baterien zirkulartasunaren jardunaren ebaluazioari dagokionez, ingurumen-jasangarritasuna hobetzeko EZ estrategia oparoenak bizitza-amaierako etaparekin lotuta zeuden, birziklatzea helburu zuten artikuluen % 82rekin. Baterien bizi-zikloaren ingurumen-inpaktuak asko aldatu ziren: 4.400 kg CO2 eq eta 55.000 kg CO2 eq. Aldaketa horren eragina praktikatzaileen hautuen mende dauden hainbat faktorek eragiten dute, kontuan hartutako bateriaren kimika mota, erabilitako inpaktuak ebaluatzeko metodoak, horiek erabiltzeko eskuragarri dauden inbentarioak eta aztertzen ari diren EZ espezifikoko agertokia barne. Alderdi interesdunek zirkulartasun-irizpideei eta -adierazleei buruz duten pertzepzioari dagokionez, 30 zirkulartasun-irizpide eta EV baterien sektorerako 15 adierazle garrantzitsu aztertu ziren. Elkarrizketatutako 24 adituak bateriaren bizi-zikloaren etapa bakoitza betez aukeratu zituzten, diseinutik hasi eta bizitzaren amaierara arte. Emaitzen arabera, birziklatze-alderdiekin lotutako irizpideak ez ziren egokitzat jo aplikatzeko ( <% 25ko egokitasuna). Alderdi interesdunen iritzi orokortuaren ondorioz gertatu zen hori, bateriaren bizi-amaieraren gaineko kontrolik ez zutelako. Aldiz, gehien baloratutako irizpideak erabilera-fasearekin eta EV baterietarako negozio-ereduarekin lotuta zeuden (>% 75eko egokitasuna). Hala ere, adierazleen egokitasunaren ebaluazioak erakutsi zuen zirkulartasun-adierazle bakoitzak EV bateriaren birziklatze-etapa barne hartzen zuela bere emaitzetan. Horrek agerian utzi zuen alderdi interesdunen premien eta eskura dauden adierazleen arteko lerrokatze falta; izan ere, etorkizuneko ikerketak ardatz izan beharko luke EVen baterietarako irizpide eta adierazle zirkular espezifikoak definitu eta lerrokatzea, berrikuntza jasangarria babesteko eta monitorizatzeko. Azkenik, zirkulartasuna eta ingurumen-jasangarritasuna aztertu eta korrelatu ziren bi bateriatarako eta bi birziklatze-metodotarako, zirkulartasun-adierazleen eta BZAren kalkuluen bidez. Nikel manganesozko kobaltozko kimika burdin eta litio fosfatoa baino % 6-25 zirkularragoa izan zen, emandako kWh bakoitzeko % 3-%6 Berotze Globaleko Potentziala (GWP) eta % 12-%16 Mineralen Agortze Abiotikoko Potentziala (ADPm) gutxiago erakutsiz. Manganeso cobalto nikelezko bateriako materialen berreskuratze handiena ( % 13-24) zirkulartasun eta ingurumen-jarduera hoberenaren determinatzaile nagusia da. Halaber, emaitzek honako hauek nabarmentzen dituzte: lehengaien hautaketa, balio-bizitza osoa, elektrizitatearen nahasketa eta birziklatze-prozesu eraginkorrak, EVen baterien ingurumen-jasangarritasunerako kritikoak diren aldetik. Baliteke ezaugarri horiek behar bezala ez neurtzea, zirkulartasun-adierazleak kalkulatuz soilik. Doktorego-tesi honek aukera ematen du etorkizunean beste gai batzuk ikertzen jarraitzeko, hala nola zirkulartasun-analisi bat eta EV berritzaileen bateria baten benetako azterketa-kasu baten BZA. Eskuratutako ezagutza beste bateria-aplikazio batzuetara heda daiteke, hala nola energia berriztagarrietara, ibilgailu elektrikoen osagaietara, hala nola motor elektrikora, eta mugikortasuneko eta garraio-moduetako beste alderdi batzuetara, adibidez, autobusetara edo tren elektrikoetara. Zirkulartasun-irizpideei eta adierazleei dagokienez, sektoreko metrika espezifikoak gara litezke, eta erabakiak hartzeko tresna batean sar litezke, EZren pentsamendu holistikoa integratzeko, diseinu zirkularreko irizpide eta adierazle egokiak hautatuz eta lehenetsiz. Azkenik, etorkizuneko ikerketa EVen baterien hedapenera bidera liteke, negozio-eredu zirkularren analisia eta balio-katea materialen fluxuaren analisiarekin eta etorkizuneko BZArekin konbinatuz, eskualde, nazio eta nazioarte mailan EVren baterien sektorearen beharrak delineatzeko.

Los vehículos eléctricos (EV) a batería se están promoviendo en todo el mundo como una alternativa sostenible a los vehículos propulsados por gasolina. Se prevé que al menos 30 millones de EV estarán operativos en la Unión Europea para 2030. Aunque los EV no generan emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) durante su operación, producen varios impactos ambientales a lo largo de su ciclo de vida. La batería es uno de los principales contribuyentes a estos impactos ambientales, representando casi el 50% de las emisiones de GEI del ciclo de vida de los EV. Por lo tanto, la comunidad científica destaca la mejora de las tecnologías de baterías como un paso clave hacia el desarrollo de EV más sostenibles. Sin embargo, la falta de datos precisos sobre el diseño de baterías, la limitada disponibilidad de casos de estudio que evalúen y/o comparen productos alternativos, y la escasez de criterios e indicadores específicos del sector han sido identificados como lagunas de conocimiento para la integración de prácticas adecuadas de economía circular (EC) y sostenibilidad ambiental para las baterías de los EV. Estas lagunas en la investigación dificultan la evaluación de puntos críticos y áreas clave de mejora para maximizar la eficiencia de los recursos y el rendimiento ambiental de las baterías de EV y, por ende, de los propios vehículos. Las estrategias de EC, que se centran en estrechar, ralentizar y cerrar los ciclos de recursos, pueden ser muy beneficiosas cuando se aplican al diseño de baterías y a la gestión de su ciclo de vida, con el objetivo de reducir el consumo de recursos y minimizar los impactos ambientales de las baterías de los EV. Sin embargo, la aplicación de soluciones de EC no garantiza automáticamente un mejor rendimiento ambiental. Si no se planifican, implementan y gestionan cuidadosamente con un enfoque de ciclo de vida y pensamiento sistémico, existe el riesgo de trasladar la carga ambiental o de generar efectos rebote negativos. Para asegurar que las estrategias de EC realmente contribuyan a la sostenibilidad, es esencial utilizar herramientas sólidas y basadas en la ciencia, como el Análisis de Ciclo de Vida (ACV). El ACV proporciona información crítica sobre los impactos asociados con cada etapa del ciclo de vida de la batería del EV, desde la extracción y procesamiento de materias primas hasta la fabricación, operación y gestión de residuos. Al aprovechar el ACV, las partes interesadas pueden identificar y aplicar las estrategias de EC más efectivas, asegurando que estas intervenciones realmente conduzcan a una reducción de los impactos ambientales y a resultados sostenibles en el sector. Consecuentemente, esta tesis doctoral tiene como objetivo analizar la circularidad y el desempeño de la sostenibilidad ambiental a lo largo del ciclo de vida de las baterías de EV para proporcionar información, datos y directrices a las partes interesadas que persiguen un desarrollo y gestión de productos sostenibles. Para cumplir con el objetivo general, se definieron tres objetivos específicos: i) Revisar la literatura sobre circularidad y estudios de ACV para baterías de EV, con el fin de identificar desafíos y mejores prácticas para la gestión sostenible del ciclo de vida de las baterías. ii) Evaluar la percepción de las partes interesadas sobre la aplicabilidad de los criterios de diseño circular y los indicadores para la gestión del ciclo de vida de las baterías de EV. iii) Evaluar la circularidad y la sostenibilidad ambiental de baterías de EV alternativas y determinar la correlación entre la circularidad y los ahorros ambientales. La revisión de la literatura mostró que las baterías de níquel manganeso cobalto dominaron el panorama de la investigación (45%). En cuanto a la evaluación del desempeño de la circularidad de las baterías, las estrategias de EC más prometedoras para mejorar la sostenibilidad ambiental estaban relacionadas con la etapa de fin de vida, con el 82% de los artículos revisados enfocados en el reciclaje. Los impactos ambientales del ciclo de vida de las baterías variaron ampliamente, desde 4.400 kg de CO2 eq. hasta 55.000 kg de CO2 eq. Esta variación está influenciada por varios factores que dependen de las elecciones de los practicantes, incluidos el tipo de química de la batería considerada, los métodos de evaluación de impactos empleados, los inventarios disponibles para su uso y el escenario de EC específico que se esté analizando. En cuanto a la percepción de las partes interesadas sobre los criterios e indicadores de circularidad, se analizaron 30 criterios de circularidad y 15 indicadores relevantes para el sector de las baterías de EV. Los 24 expertos entrevistados fueron seleccionados cubriendo cada etapa del ciclo de vida de la batería, desde el diseño hasta el fin de vida. Los resultados indicaron que los criterios relacionados con los aspectos de reciclaje no se consideraron adecuados para su aplicación (< 25% de idoneidad). Esto se debió a la opinión generalizada de las partes interesadas de que no tenían control sobre el fin de vida de la batería. En cambio, los criterios más valorados estaban relacionados con la fase de uso y el modelo de negocio para las baterías de EV (>75% de idoneidad). Sin embargo, la evaluación de la idoneidad de los indicadores mostró que cada indicador de circularidad incluía la etapa de reciclaje de la batería de EV en sus resultados. Esto demostró una falta de alineación entre las necesidades de las partes interesadas y los indicadores disponibles, donde la investigación futura debería centrarse en definir y alinear criterios e indicadores de circularidad específicos para las baterías de EV para apoyar y monitorear la innovación sostenible. Por último, se analizaron y correlacionaron la circularidad y la sostenibilidad ambiental para dos baterías y dos métodos de reciclaje, mediante indicadores de circularidad y cálculos de ACV. La química de níquel manganeso cobalto fue entre 6-25% más circular que el fosfato de hierro y litio, mostrando un 3%-6% menos de Potencial de Calentamiento Global (GWP) y un 12%-16% menos de Potencial de Agotamiento Abiótico de minerales (ADPm) por kWh entregado. La mayor recuperación de materiales (13%-24%) de la batería de níquel manganeso cobalto es el principal determinante de la mejor circularidad y desempeño ambiental. Asimismo, los resultados destacan la selección de materias primas, la vida útil total, la mezcla de electricidad y los procesos de reciclaje eficientes como críticos para la sostenibilidad ambiental de las baterías de EV, características que podrían no ser adecuadamente medidas solo calculando indicadores de circularidad. Esta tesis doctoral abre la posibilidad de continuar la investigación en el futuro en temas como la realización de un análisis de circularidad y ACV de un caso de estudio real de una batería de EV innovadora. El conocimiento adquirido puede expandirse a otras aplicaciones de baterías, como energías renovables, componentes de vehículos eléctricos como el motor eléctrico y otros aspectos de movilidad y modos de transporte, por ejemplo, autobuses o trenes eléctricos. En cuanto a los criterios e indicadores de circularidad, podrían desarrollarse métricas específicas del sector e incluirse en una herramienta de toma de decisiones para integrar el pensamiento holístico de la EC a través de la selección y priorización de criterios e indicadores de diseño circular adecuados. Finalmente, la investigación futura podría orientarse hacia la expansión de las baterías de EV, combinando el análisis de modelos de negocio circulares y la cadena de valor con el análisis de flujo de materiales y el ACV prospectivo, con el fin de delinear las necesidades del sector de baterías de EV a nivel regional, nacional e internacional.