O caso de uma economia circular em baterias de veículos elétricos

Faz o Economia circular Faça sentido dos negócios para as baterias do veículo elétrico (EV)? Os benefícios ambientais da reciclagem ou reutilização das baterias são claras - entre elas, melhor uso de recursos e baixas emissões de carbono. Mas o caso de negócios é menos direto. Acreditamos que é provável que a reciclagem direta seja a rota preferida na economia circular no curto prazo. Apesar da disponibilidade de baterias EV usadas e da demanda por soluções de armazenamento de energia, é improvável que as baterias da segunda vida representem uma parcela importante do mercado de fornecimento de energia no futuro próximo. Para que isso aconteça, as partes interessadas precisam de uma compreensão profunda do potencial de receita na economia circular-um valor estimado de US $ 10 bilhões em 2030-e como sua economia é afetada pela química das células da bateria, pela região geográfica e pela aplicação específica. Isso fornecerá a base para o desenvolvimento de estratégias para capturar oportunidades de curto prazo, bem como para adaptar essas estratégias à medida que as tecnologias e aplicações evoluem ao longo do tempo. Para aumentar a sustentabilidade, eles estão fazendo melhorias em seus produtos e processos de fabricação. Seus produtos agora oferecem uma economia de combustível mais alta, níveis mais altos de conteúdo reciclado (além de alumínio e aço, que já são fortemente reciclados) e materiais de origem sustentável (como madeira e couro). Para diminuir as emissões de carbono de seus processos de fabricação, eles estão produzindo veículos usando energia renovável, otimizando as necessidades de energia e reduzindo o desperdício e a quantidade de água que usam.

A BCG analysis found that the economics of EV battery recycling at scale are attractive, but generating profits from reuse—known as “second life” applications—will be much harder. We believe that direct-to-recycling is likely to be the favored route in the circular economy in the near term. Despite the availability of used EV batteries and demand for energy storage solutions, second-life batteries are unlikely to represent an important share of the power supply market for the foreseeable future.

Even so, there are opportunities for OEMs and equipment providers to build viable business models for both recycling and second-life applications as part of broader strategic plays. To make this happen, stakeholders need an in-depth understanding of the revenue potential in the circular economy—an estimated $10 billion in 2030—and how their economics are affected by battery cell chemistry, geographic region, and the specific application. This will provide the foundation for developing strategies to capture near-term opportunities as well as for adapting these strategies as technologies and applications evolve over time.

The End of the Road

As sustainability becomes increasingly important to customers, investors, regulators, and employees alike, automakers are coming to recognize that the next generations of automotive products must be successful both commercially and environmentally. To enhance sustainability, they are making improvements to their products and manufacturing processes. Their products now offer higher fuel economy, higher levels of recycled content (beyond aluminum and steel, which are already heavily recycled), and sustainably sourced materials (such as wood and leather). To lower the carbon emissions of their manufacturing processes, they are producing vehicles by using renewable energy, optimizing energy needs, and reducing waste and the amount of water they use.

EVs estão entre os esforços principais das montadoras para serem bons mordomos do meio ambiente. Do ponto de vista da sustentabilidade, o sucesso dos VEs depende de três fatores principais: a intensidade do carbono do processo de fabricação, a intensidade do carbono da eletricidade usada para carregar a bateria conforme o veículo é usado e o que acontece com a bateria no final de sua vida útil útil. Aqui, nos concentramos no terceiro fator. As baterias em modelos mais recentes devem ser capazes de manter o desempenho além de 20 anos, ou mais de 300.000 milhas, a julgar pelo status atual de desempenho. Sua vida útil é ditada principalmente pelo número de ciclos de carga, pela intensidade desses ciclos de carga e pela qualidade da fabricação. E todas as baterias de íon de lítio se degradam ao longo do tempo-uma vez que caem abaixo de cerca de 80% de sua capacidade originalmente classificada, elas não oferecem mais um nível de desempenho suficiente para alimentar um veículo.

According to a recent analysis by telematics provider Geotab, the average useful life of lithium-ion batteries in EVs on the road today is around ten years. Batteries in newer models should be capable of maintaining performance beyond 20 years, or more than 300,000 miles, judging from their current performance status. Their useful life is dictated primarily by the number of charge cycles, the intensity of those charge cycles, and the quality of manufacturing. And all lithium-ion batteries degrade over time—once they fall below around 80% of their originally rated capacity, they no longer offer a sufficient level of performance to power a vehicle.

Hoje, mais de 32 milhões de eVs estão em uso globalmente. Isso inclui 8 milhões de veículos de passageiros totalmente elétricos (veículos elétricos de bateria (BEVs) e veículos elétricos híbridos plug-in (PHEVs)) e 24 milhões de veículos parcialmente eletrificados (veículos elétricos híbridos (HEVs) e veículos elétricos híbridos médios (MHEVs)). Estimamos que as baterias de aproximadamente 1 milhão desses veículos de passageiros estão atualmente chegando ao fim de sua primeira vida, igual a quatro gigawatt-horas (GWH) da capacidade restante da bateria. Veículos comerciais eletrificados e veículos de duas rodas adicionam a esta piscina.

Nosso Pesquisa mostra que mais de 50% dos novos veículos vendidos globalmente em 2030 serão eletrificados. A adoção do BEVS, os veículos com a maior capacidade da bateria, aumentará em média 25% ao ano até 2030, e evidências recentes mostram que o momento das vendas não diminuiu consideravelmente como resultado da pandemia covid-19. Até 2030, o número de VEs de passageiros na estrada provavelmente excederá 300 milhões. Espera-se que quase 4 milhões de VEs sejam aposentados no ano civil 2030, com uma capacidade combinada originalmente classificada de quase 100 GWh, e esse número aumentará significativamente nos anos subsequentes. Os BEVs são os principais candidatos a ter suas baterias reaproveitadas; Mais de 70% da capacidade da bateria de íons de lítio EV que deve ser aposentada em 2030 virá do BEVS, devido ao maior número de quilowatt-hora (kWh) por veículo. (O volume e o valor das baterias de EV são medidos em quilowatt-hora, o que permite uma comparação individual entre diferentes tipos de baterias.) Prevêmos que os EVs na China representem 50% dos quilos de quilowatt-hour de baterias retiradas em 2030. Outros 20% cada um dos EVs da UE e dos EUA. Destinos: uma instalação de reciclagem, uma aplicação de segunda vida ou uma instalação de gerenciamento de resíduos. Em seguida, vende esses materiais para uso em um futuro processo de fabricação de baterias. (Veja a barra lateral “Um primer nas baterias de íons de lítio”.)

The source mix of this end-of-first-life volume through 2030 is also increasingly clear. BEVs are the prime candidates for having their batteries repurposed; more than 70% of EV lithium-ion battery capacity that is expected to be retired in 2030 will come from BEVs, owing to the larger number of kilowatt-hours (kWh) per vehicle. (The volume and value of EV batteries are measured in kilowatt-hours, which allows for a one-to-one comparison between different types of batteries.) We forecast that EVs in China will account for 50% of the kilowatt-hours of batteries retired in 2030. Another 20% each will come from EVs in the EU and the US.

When a battery at the end of its first life is removed from a vehicle, it has three possible destinations: a recycling facility, a second-life application, or a waste management facility.

• In recycling, a specialized company recovers the valuable metals—including cobalt, manganese, nickel, and lithium—from the battery cells. It then sells these materials for use in a future battery manufacturing process. (See the sidebar “A Primer on Lithium-Ion Batteries.”)
• In a second-life application, a specialized company repurposes the battery cells for a new use without dismantling them, often in combination with a new set of power electronics, software, and housing structure. The new application is typically stationary, rather than mobile.
• If placed into a waste stream, the battery enters a landfill or other disposal facility with no recovery of any of its remaining value. Increasingly, regulations are mandating that lithium-ion batteries enter the circular economy rather than being discarded.

Anexo 1 coloca essas opções no contexto da cadeia de valor da bateria EV completa.

The Promise of Recycling

As baterias de íons de lítio usadas em eletrônicos de consumo não têm um bom histórico quando se trata de reciclagem-mais da metade deles acabam em aterros ou incineradores. Os reguladores e as partes interessadas do setor esperam que a indústria automotiva possa melhorar esse registro, aproveitando as características únicas do mercado para criar um novo sistema de circuito fechado ao longo do tempo. A diretiva de veículos de fim de vida da UE é uma dessas medidas para garantir que isso aconteça. Embora a indústria de baterias nascentes de EV ainda não desfrute de todas as vantagens encontradas na indústria estabelecida de baterias de chumbo-ácido, a reciclagem bem-sucedida deste último serve como modelo. (Veja a barra lateral “Aprendendo com as baterias de chumbo-ácido”.)

Reciclagem de baterias EV é um negócio intensivo em ativos, no qual a alta utilização é fundamental para a eficiência operacional. Os recicladores de bateria de íons de lítio na China são as maiores e mais longas empresas estabelecidas do setor. O desempenho deles sugere que os fundamentos subjacentes do setor são relativamente fortes. (Veja o Anexo 2.) Isso é especialmente verdadeiro para baterias de íons de lítio feitas de químicas de níquel-cobalte-manganesas (NCM) e níquel-alumínio-alumínio (NCA), que são cada vez mais favorecidas por alguns OEMs automotivos devido à sua densidade de energia superior.

A lucratividade é altamente dependente de vários fatores. O mais importante é a química celular: o valor dos materiais recuperados. Para baterias NCM e NCA, o valor pode exceder US $ 25 por quilowatt-hora. Por outro lado, os metais em uma bateria de lítio-fosfato (LFP) valem apenas metade dos usados ​​nas baterias NCM. O valor do níquel, em particular, determinará a atratividade do caso de negócios nos próximos anos, à medida que os fabricantes mudam para as baterias com um teor de níquel mais alto. (Consulte o Anexo 3.)

Custos operacionais dos recicladores, por outro lado, são relativamente fixos em todos os tipos de química. O processo de reciclagem consiste nas mesmas três etapas primárias: desativação ou descarga de células (para evitar incêndio), pré -tratamento para desconstruir os principais componentes da célula (alumínio, plásticos e cátodo) e a recuperação dos materiais de cátodo. Até o momento, os custos de aquisição variam significativamente por região. Na China, onde o mercado de reciclagem é maduro, os custos de aquisição podem ser altos - até 50% do valor total recuperado esperado. Muitos recicladores estabelecidos estão competindo para adquirir baterias usadas, e os jogadores de ambos os lados da transação têm um entendimento relativamente claro da economia. Nos EUA e Europa, por outro lado, os custos de aquisição são efetivamente zero. Existem poucos recicladores experientes de baterias de íons de lítio, e as empresas que participam do mercado nascente ainda estão operando em baixa escala.

Other factors include the cost of acquiring batteries to be recycled and the amount of metals recovered during the recycling process. To date, acquisition costs vary significantly by region. In China, where the recycling market is mature, acquisition costs can be high—up to 50% of the total expected recovered value. Many established recyclers are competing to acquire used batteries, and players on both sides of the transaction have a relatively clear understanding of the economics. In the US and Europe, on the other hand, acquisition costs are effectively zero. There are few experienced recyclers of lithium-ion batteries, and companies participating in the nascent market are still operating at low scale.

As taxas de recuperação de metais não são tanto uma função do tipo de química, conforme as tecnologias de reciclagem utilizadas. Ainda assim, os recicladores são pegos em um dilema porque devem trabalhar com várias químicas. Por um lado, eles podem maximizar as taxas de recuperação ajustando as etapas de processamento em uma química celular específica. O setor está visando as taxas de recuperação de mais de 95% para os metais mais valiosos, mas na prática as taxas de recuperação podem cair abaixo de 50%, dependendo da sofisticação dos processos utilizados. Por outro lado, eles podem implantar processos que lidam com bateria de diferentes tamanhos, formas e químicas e, portanto, protegem uma taxa e escala mais alta. Mas alcançar a flexibilidade adiciona custo. Picos ou quedas nos preços do metal da bateria continuarão mesmo com o número de VEs na estrada crescer. Poucas instalações de reciclagem fora da China operam em escala suficiente, e tanto os custos de mão -de -obra quanto os requisitos mais rígidos de emissões afetam a estrutura de custos e, portanto, a lucratividade da reciclagem. A comercialização de novas tecnologias de reciclagem, como a reciclagem de codo-cato direto, pode tornar as tecnologias atuais obsoletas e corroer a vantagem competitiva dos players estabelecidos. Além disso, a indústria automobilística não está convergindo para qualquer química ou configuração de uma célula tão cedo. Como resultado, a incerteza sobre os melhores processos de reciclagem persistirá pelo menos na próxima década. Os recicladores podem ganhar margens atraentes, OEMs e fabricantes de cátodo ganham uma fonte adicional de materiais para alimentar suas cadeias de suprimentos, e a reciclagem dos materiais gera uma pegada de carbono menor do que a mineração-exceto as baterias LFP, cujo conteúdo de ferro é mais sustentável do que o Recycled. é relativamente direto e é dividido entre fabricantes de baterias e empresas de reciclagem independentes. Mas o fluxo de materiais na cadeia de valor da bateria de íons de lítio é consideravelmente mais complicado e envolve mais jogadores. De fato, não existe um único arquétipo emergente de um reciclador de bateria EV. Os jogadores ativos atualmente incluem recicladores de baterias de íon de lítio para eletrônicos de consumo; recicladores de baterias de chumbo-ácido; OEMs; fabricantes de células; e fornecedores de componentes celulares, como fabricantes de cátodo e refinarias de metal. (Consulte o Anexo 4.) Cada um pode reivindicar validamente que é mais adequado para possuir a etapa de reciclagem, seja por causa de suas capacidades, escala, acesso à matéria -prima ou uso subsequente para os metais recuperados. Como resultado, não está claro qual desses jogadores emergirá como vencedor, especialmente porque a pandemia covid-19 diminuiu o investimento e adicionou a pressões em dinheiro de curto prazo. O mercado se resolverá. Após vários anos de alta fragmentação, uma mistura de empresas com modelos específicos está subindo ao topo:

Although the fundamentals of recycling look strong, there is no shortage of further challenges to navigate. Spikes or slumps in battery metal prices will continue even as the number of EVs on the road continues to grow. Few recycling facilities outside of China operate at sufficient scale, and both their higher labor costs and stricter emissions requirements affect the cost structure and thus the profitability of recycling. Commercialization of new recycling technologies, such as direct-cathode recycling, could make current technologies obsolete and erode the competitive advantage of established players. Furthermore, the auto industry is not converging toward any one cell chemistry or configuration any time soon. As a result, uncertainty about the best recycling processes will persist for at least the next decade.

Still, taking all these factors into consideration, recycling seems both economically and environmentally sustainable. Recyclers can earn attractive margins, OEMs and cathode manufacturers gain an additional source of materials to feed their supply chains, and recycling the materials generates a smaller carbon footprint than does mining them—except for LFP batteries, whose iron content is more sustainably mined than recycled.

Players in the Recycling Value Chain

The business of recycling lead-acid batteries is relatively straightforward and is divided between battery manufacturers and independent recycling companies. But the flow of materials in the lithium-ion battery value chain is considerably more complicated and involves more players. Indeed, there is no single emerging archetype of an EV battery recycler. The active players currently include recyclers of lithium-ion batteries for consumer electronics; recyclers of lead-acid batteries; OEMs; cell manufacturers; and cell component suppliers such as cathode manufacturers and metal refineries. (See Exhibit 4.) Each can validly claim that it is best suited to own the recycling step, whether because of its capabilities, scale, access to feedstock, or subsequent use for the recovered metals. As a result, it is not clear which of these players will emerge as the winner, especially as the COVID-19 pandemic has slowed investment and added to near-term cash pressures.

China is the only region today with the scale required to demonstrate how the market will sort itself out. After several years of high fragmentation, a mix of companies with specific models is rising to the top:

• GEM, Huayou Cobalt e Ganfeng Lítio são todos fornecedores de materiais de bateria. Atualmente, esses players capturaram as maiores quotas de mercado. Participação de recicladores de eletrônicos de consumo (porque as empresas chinesas dominam). Os principais jogadores incluem VW, Umicore (fabricante de cátodo) e sol (um reciclador independente). A aplicação de um modelo diferente do mercado, a Nissan e a gigante da reciclagem Sumitomo formaram uma joint venture denominada energia 4R.
• BYD, an integrated value chain player, manufactures cathodes, cells, and battery packs as well as EVs themselves.
• Brunp Recycling is a subsidiary of CATL, a cathode manufacturer.

Outside of China, similar models are starting to emerge, though involving a different set of players and without the participation of consumer electronics recyclers (because Chinese companies dominate). Leading players include VW, Umicore (a cathode manufacturer), and SungEel (an independent recycler). Applying a different go-to-market model, Nissan and recycling giant Sumitomo have formed a joint venture named 4R Energy.

Um conjunto robusto de startups-incluindo o ciclo de LI, os recursos da bateria, os deusenfeld e os materiais de sequóia-está investigando uma ampla variedade de tecnologias para pré-tratamento e recuperação de metais. As mudanças potenciais de etapas no desempenho ainda são vistas quanto possível. E para acomodar diferenças nas regulamentações ambientais nas regiões, as empresas estão buscando novos avanços na tecnologia para reduzir as emissões.

Finalmente, há um interesse crescente entre os órgãos governamentais na construção de ecossistemas de produção de baterias globalmente competitivos - incluindo a reciclagem - para criar empregos e reduzir a dependência de fontes estrangeiras de materiais de bateria. Os laboratórios nacionais e os prêmios governamentais podem ser instrumentais para definir a paisagem futura do mercado de reciclagem. Nos chamados materiais "precursores"-compostos prontos para a produção de níquel, cobalto, manganês e outros elementos-em vez de produzir produtos intermediários de "massa preta" que requerem refino adicional. Refine os metais a um grau mais alto para reutilização (em uma nova bateria, por exemplo) em vez de "reduzir"-os para uso em aplicações menos rigorosas. Construa instalações em escala que reduzam os custos de processamento por unidade, como implantando linhas de fabricação específicas para diferentes químicas ou investindo em tecnologia digital. Seja a primeira empresa a construir instalações de reciclagem em regiões não experimentadas a aproveitar os incentivos de criação de empregos e o número limitado de licenças que provavelmente estarão disponíveis.

Success Factors in Recycling

To win in this landscape, participants can deploy a set of strategic levers.

• Produce in-demand finished products. To capture more of the available profit pool, recycle battery chemistry into so-called “precursor” materials—ready-for-production compounds of nickel, cobalt, manganese, and other elements—rather than producing intermediate “black mass” products that require further refining. Refine metals to a higher grade for reuse (in a new battery, for example) rather than “downcycling” them for use in less stringent applications.
• Achieve the lowest per-unit plant recycling cost. Invest in technologies that maximize metal recovery and resource efficiency. Build at-scale facilities that reduce per-unit processing costs, such as by deploying manufacturing lines specific to different chemistries or investing in digital technology. Be the first company to build recycling facilities in untried regions to take advantage of job creation incentives and the limited number of permits likely to be available.
• mova -se a montante. Inicie uma oferta logística para obter o poder de tomada de decisão para determinar onde direcionar as baterias usadas-seja para suas próprias instalações ou terceiros-baseados em fatores econômicos, como custos de transporte ou utilização de plantas. Ative a presorção mais fácil por tipo química para realizar flexibilidade de eficiências operacionais na planta de processamento. Achieve density in the logistics network, a step that is especially important for transporting heavy, hazardous battery packs to pretreatment facilities. Launch a logistics offering to gain the decision-making power to determine where to direct used batteries—whether to your own facilities or a third party—based on economic factors such as transport costs or plant utilization. Enable easier presorting by chemistry type to flexibly realize operating efficiencies within the processing plant.
• Teste os modelos de negócios flexíveis. Favorável. To limit exposure to volatility in battery metal prices, experiment with fee-for-service—or “tolling”—contracts, in which you agree to recycle batteries for others, or with spot-buying of batteries outright, then selling the metals when prices are favorable.

Os jogadores devem implantar essas alavancas no contexto de uma estratégia regional personalizada. Todos os sinais apontam para o desenvolvimento de modelos regionais de logística de hub e raios, nos quais as baterias antigas são coletadas em pequenas instalações de desmantelamento e pré-tratamento e enviadas para grandes operações de recuperação de metal. Os custos de transporte para as baterias são altos, dado o seu peso, a forma e as necessidades de manuseio seguro. Usando o mercado de baterias de chumbo-ácido como ponto de referência, um jogador pode ser mais competitivo em um raio de aproximadamente 300 milhas entre o ponto de aquisição de baterias e os "raios" onde a atividade de reciclagem começa).

OEMs que fabricam catodos ou células devem considerar se tornar os participantes de ponta a ponta na cadeia de valor da bateria EV, como BYD. Essa abordagem recria o modelo de negócios de baterias de bateria em cativeiro altamente bem-sucedido usado pelo fabricante de baterias dos EUA Clarios, entre outros. Mas muito poucas empresas estão posicionadas para criar esse modelo de ponta a ponta em baterias de íons de lítio na próxima década. Enquanto isso, a independência é um ativo, permitindo que uma empresa contrate com uma ampla variedade de jogadores dentro e fora da indústria automotiva para obter acesso aos volumes de baterias recicláveis ​​necessárias para operar uma rede de instalações e distribuição em escala. Aqui, os relacionamentos no final do fornecedor e no cliente do processo de reciclagem são críticos para o sucesso. Como observado acima, quando uma bateria cai para 80% de sua capacidade nominal, ela não é mais adequada para uso em um veículo. Considere o que isso significa para uma bateria de 60kWh Bev, projetada para 1.500 ciclos. Essa capacidade ainda pode oferecer 18 MWh de carga elétrica, ou eletricidade suficiente para alimentar uma casa típica por mais de 15 anos. O BCG estima que a demanda por baterias apenas no mercado do SES atingirá 120 GWh anualmente até 2030, portanto, há muita demanda potencial para um sistema de bateria de segunda vida. No entanto, as partes interessadas devem superar os obstáculos econômicos atuais para sustentar as aplicações de bateria de segunda vida.

Second Life for EV Batteries

Whereas recycling focuses on the value of the battery’s metal content, second-life applications focus on the value of repurposing a partially used battery. As noted above, when a battery drops to 80% of its rated capacity, it is no longer suitable for use in a vehicle. Consider what this means for a 60kWH BEV battery pack that is designed for 1,500 cycles. This capacity can still offer 18 MWh of electrical load, or enough electricity to power a typical home for more than 15 years.

We see three categories of second-life applications: as a spare EV battery, in a stationary energy storage (SES) application, or in a compact mobile storage application (such as a forklift). BCG estimates that demand for batteries in the SES market alone will reach 120 GWh annually by 2030, so there is plenty of potential demand for a second-life battery system. However, stakeholders must overcome the current economic obstacles to sustaining second-life battery applications.

Somente nas aplicações do SES, existem mais de uma dúzia de usos-mercados de utilitário, utilitário, comercial e residencial-para os quais as baterias de íon de lítio estão ganhando tração. Essas aplicações incluem suporte de geração de energia (co-localização com outra fonte de energia), controle de frequência, suprimento fora da rede, backup de emergência, otimização de consumo e infraestrutura de carregamento. De fato, pode-se argumentar que as baterias EV são superadas para uso em ambientes estacionários relativamente relaxados, pois as condições em que as baterias são usadas em veículos são muito mais rigorosas.

From a technical standpoint, batteries manufactured for use in an EV can satisfy most of these applications. In fact, one can argue that EV batteries are overdesigned for use in relatively relaxed stationary environments, as the conditions in which batteries are used in vehicles are far more rigorous.

Do ponto de vista do valor, os benefícios das baterias de segunda vida vão além de fornecer uma opção de armazenamento de energia. As soluções da segunda vida oferecem uma proposta de valor única e atraente para cada um dos três grupos de partes interessadas mais frequentemente envolvidas em uma transação de bateria no final da vida: o OEM do veículo que fornece a bateria usada; o provedor de equipamentos que redireciona e revende a bateria em um aplicativo de segunda vida; e o cliente que usa a bateria da segunda vida.

• OEMs. Nos próximos anos, esperamos que a maioria dos países adote um requisito de EPR. Ao usar a bateria para uma solução de segunda vida, um OEM pode atrasar o gasto de custo associado a essa responsabilidade ou possivelmente transferir a responsabilidade para o comprador. À medida que mais baterias de segunda vida atingem o mercado, no entanto, os provedores poderão oferecer mais equipamentos alimentados por baterias usadas sozinhas ou uma mistura de baterias novas e usadas. Isso aumentará sua flexibilidade no desenvolvimento de aplicativos que melhor atendam às necessidades dos clientes em relação ao preço, desempenho e tempo de entrega. Como um produto da segunda vida pode oferecer esses benefícios a um preço mais baixo, ele atrairá os compradores que desejam economizar dinheiro. Pegada-uma quem é quem das montadoras e provedores de SES estão buscando uma variedade de projetos, mesmo que apenas na fase de demonstração, na esperança de capturar os benefícios das baterias de segunda vida. Os primeiros testes tendem a ser as próprias operações de um OEM-por exemplo, a Audi reaproveitou as baterias EV para uso em empilhadeiras, e a GM está alimentando algumas de suas próprias instalações com baterias de segunda vida. Embora esses empreendimentos ofereçam benefícios de marketing (ao identificar essas empresas como conscientes ecológicos) e podem gerar economias operacionais, os OEMs também buscam construir empresas a partir de baterias de segunda vida. É provável que eles tenham acesso a um alto volume de baterias de final de vida-um fator de sucesso principal-através de acordos de prestação de serviços e prestação de serviços, entre outros. Eles também podem aplicar seus recursos internos de design e integração à tarefa de redirecionar as baterias antigas. E eles podem usar dados históricos do sistema de gerenciamento de baterias de seus veículos para entender o desempenho atual e futuro de cada célula da bateria que eles esperam reutilizar. Eles podem usar baterias apenas de seus próprios veículos, o que cria limitações em possíveis aplicações em termos de tamanho e outras especificações. Os OEMs também são menos propensos a oferecer todo o equipamento relacionado necessário para uma solução de segunda vida, como cabos, painéis solares ou software de gerenciamento de energia necessário para um aplicativo híbrido. Os fornecedores de equipamentos da SES, por outro lado, podem desenvolver um portfólio mais completo de ofertas de armazenamento de energia. Eles também podem alavancar seus relacionamentos existentes com certos segmentos de comprador, bem como sua compreensão dos regulamentos elétricos locais. In some countries, manufacturers that supply EV batteries currently have an “extended producer responsibility” (EPR) to recycle, reuse, or dispose of end-of-first-life batteries. In the years ahead, we expect that most countries will adopt an EPR requirement. By using the battery for a second-life solution, an OEM can delay the cost outlay associated with this responsibility or possibly transfer the responsibility to the buyer.
• Providers of SES Equipment. Today, the low availability of second-life batteries means that providers mainly offer SES equipment with new batteries. As more second-life batteries reach the market, however, providers will be able to offer more equipment powered either by used batteries alone or a mix of new and used batteries. This will enhance their flexibility in developing applications that best meet customers’ needs with respect to price, performance, and delivery time.
• End Customers. Customers seek a battery storage solution that provides a clean, quiet, and independent source of energy. Because a second-life product can offer these benefits at a lower price point, it will appeal to buyers that want to save money.

Last but not least, extending the usefulness of a battery via a second-life application maximizes the return on the carbon investment incurred to produce it—so the Earth benefits as well.

Given these opportunities—the variety of feasible use cases, the benefits afforded to multiple stakeholders, and a smaller carbon footprint—a who’s who of automakers and SES providers are pursuing a variety of projects, even if only in the demonstration phase, in hopes of capturing the benefits of second-life batteries.

OEMs have enthusiastically publicized projects in which their batteries are used in second-life applications. Early trials have tended to be for an OEM’s own operations—for example, Audi has repurposed EV batteries for use in forklifts, and GM is powering some of its own facilities with second-life batteries. Although these endeavors offer marketing benefits (by identifying these companies as eco-conscious) and may generate operational savings, OEMs are also seeking to build businesses from second-life batteries.

In this regard, OEMs have several advantages over SES providers. They are likely to have access to a high volume of end-of-first-life batteries—a key success factor—through trade-ins and service provision agreements, among others. They can also apply their in-house design and integration capabilities to the task of repurposing old batteries. And they can use historical data from their vehicles’ battery management system to understand the current and future performance of each battery cell they hope to reuse.

However, OEMs face constraints in developing a portfolio of consumer offerings that use second-life batteries. They can use batteries only from their own vehicles, which creates limitations on potential applications in terms of size and other specifications. OEMs are also less likely to offer all the related equipment needed for a second-life solution, such as the cables, solar panels, or energy management software needed for a hybrid application. SES equipment providers, in contrast, can develop a more complete portfolio of energy storage offerings. They can also leverage their existing relationships with certain buyer segments as well as their understanding of local electrical regulations.

Para os OEMs, os principais problemas estratégicos a serem considerados incluem o lançamento de um negócio direto ao consumidor (a Daimler tentou isso com sua oferta de armazenamento doméstico, mas logo saiu do negócio); fornecer baterias usadas aos provedores de equipamentos da SES, que depois redirecionam, comercializam, vendem e atendem uma variedade de aplicativos de segunda vida (como atualmente a Renault-Nissan-Mitsubishi); ou para participar. A Tesla, por exemplo, indicou que não tem interesse em participar ou fazer parceria para atividades de segunda vida, atualmente preferindo reciclar todas as suas baterias antigas. ecossistema.

The Second-Life Economic Challenge

To understand which of these strategic pathways is most likely to win out, we analyzed the economics of second-life batteries on both a standalone basis and as part of the broader second-life ecosystem.

O processo de produção para redirecionar uma bateria é complexo. A bateria deve ser desmontada; As células devem ser testadas, classificadas e combinadas; O invólucro deve ser reconstruído; As células devem ser integradas a um inversor e software; e a bateria reaproveitada deve ser remontada antes de ser revendida. Mas a fabricação não é o único desafio. Além disso, muitas baterias dependem de químicas fora do padrão e designs de embalagem. Com o tempo, no entanto, os avanços digitais e a padronização do produto podem ajudar a reduzir os custos de mão -de -obra. Por exemplo, pesquisas recentes indicam que o tempo necessário para classificar a bateria pode ser reduzido de dias para alguns minutos. O histórico completo do uso anterior da bateria é uma entrada importante para calcular o valor restante. No entanto, os OEMs automotivos relutam em compartilhar abertamente esses dados, que eles vêem como fornecendo uma fonte de vantagem competitiva. Com o tempo, o setor precisará desenvolver plataformas confiáveis ​​de saúde e avaliação da bateria para ajudar na troca de baterias usadas. Baterias.

• Labor. Disassembling, grading, and reassembling batteries is a time-intensive, largely manual process, and it is further complicated by limited knowledge about how the battery had been used and its current cell-level performance. Moreover, many batteries depend on nonstandard chemistries and packing designs. Over time, however, digital advances and product standardization may help to reduce labor costs. For example, recent research indicates that the time required to grade a battery pack could be reduced from days to a few minutes.
• Valuation. Questions persist on how to assess the remaining life of a battery and assign a book value to it. The full history of the battery’s prior usage is an important input to calculating remaining value. Yet automotive OEMs have been reluctant to openly share this data, which they see as providing a source of competitive advantage. Over time, the industry will need to develop trusted battery health and valuation platforms to assist in the exchange of used batteries.
• Price. The price that customers are willing to pay for a second-life solution is typically no more than 60% of the price of a new battery solution—and as prices of new batteries continue to decrease, so will those of second-life batteries.
• Responsabilidade. Além disso, navegar pelos códigos e certificações regulatórios necessários para aplicativos específicos pode ser mais complexo com uma bateria de segunda vida. Finalmente, se o EPR será ou não transferido do OEM para o reaproveador, ou mesmo o usuário final, também deve ser resolvido. 5). As baterias da segunda vida também devem competir com várias alternativas. Uma nova bateria do SES representa apenas 30% a 50% do preço total do aplicativo; portanto, a bateria da segunda vida deve ser muito descontada para diminuir significativamente o preço total. Além disso, uma bateria de segunda vida pode usar a tecnologia de 10 a 15 anos, colocando-a em risco de obsolescência, dado o ritmo constante de avanços na densidade de energia, segurança e vida útil de novas baterias. A reciclagem permite que os OEMs automotivos, por exemplo, mantenham as baterias usadas e recuperem esses materiais, em vez de vendê-los na cadeia de suprimentos de armazenamento estacionário. Quando necessário, para uso em casa ou envie -o de volta para a grade sem comprometer sua função principal do transporte móvel. Uma vez que o número de VEs em uso atingir uma escala suficiente, uma oferta de veículo a grade pode efetivamente reduzir o tamanho do mercado para outras necessidades de armazenamento de energia-tornando o caso de negócios para aplicações de segunda vida ainda mais desafiadoras. Uncertainty as to how a battery was used in its first life may encourage repurposers to overdesign the second-life version to ensure that it meets the specifications for its new use. Moreover, navigating the regulatory codes and certifications needed for specific applications can be more complex with a second-life battery. Finally, whether or not the EPR will be transferred from the OEM to the repurposer, or even the end-user, must also be resolved.

All things considered, our analysis shows that repurposing an EV battery for a second-life application is currently economically challenging on a standalone basis, as the potential profit is too low to make the effort worthwhile (see Exhibit 5).

But the challenges don’t end there. Second-life batteries must also compete with several alternatives.

• First-Life Batteries. In terms of total cost of ownership (TCO), first-life batteries are often more competitive, except for use cases that require a low number of annual cycles. A new SES battery pack represents just 30% to 50% of the total price of the application, so the second-life battery must be heavily discounted in order to significantly lower the total price. Moreover, a second-life battery may use technology that is 10 to 15 years old, placing it at risk of obsolescence given the steady pace of advances in the energy density, safety, and lifespan of new batteries.
• Recycling. Many EV manufacturers are building out their own battery supply chains and ensuring continued access to in-demand materials such as nickel and cobalt. Recycling allows automotive OEMs, for example, to keep used batteries and reclaim these materials, rather than selling them into the stationary storage supply chain.
• Vehicle-to-Grid. There is increasing optimism that over the longer term, second-life batteries (as well as first-life SES batteries) will need to compete against “grid-able” vehicles—vehicles that can store electricity and discharge it when needed for use at home or send it back to the grid without compromising their primary function of mobile transport. Once the number of EVs in use reaches sufficient scale, a vehicle-to-grid offering could effectively reduce the market size for other energy storage needs—making the business case for second-life applications even more challenging.

Por causa desses desafios, bem como a economia atraente da reciclagem em escala, acreditamos que menos de 20% das baterias serão usadas em uma aplicação de segunda vida antes de serem recicladas e que a grande maioria das baterias da primeira vida será atingida diretamente para a reciclagem. paisagem.

Success Factors in Second Life

We see three strategic levers for companies pursing second-life applications in the current landscape.

• Desenvolva soluções modulares padronizadas. Segure o acesso exclusivo a baterias de modelos de veículos de alto volume, aprenda a testar e processar a bateria com eficiência e ganhar escala nos processos de design, integração e certificação. Para reduzir os custos de desmontagem e os desafios de correspondência de células, projetam soluções que usam o módulo de bateria completo ou a embalagem completa. O acesso exclusivo também apoiará a diferenciação competitiva, que é mais difícil de manter se os rivais estiverem redirecionando as mesmas baterias. Ao mesmo tempo, fique de olho nos clientes dispostos a pagar pela personalização ou variantes de sua oferta padrão. Uma oferta de hardware pode incluir inversores e sistemas de energia híbrida - um sistema integrado para armazenamento solar e de bateria, por exemplo. Uma oferta de serviço pode envolver engenharia, atualizações de desempenho sem fio e soluções de carregamento. Uma oferta de design pode incluir mixagem e correspondência usadas e novos módulos de bateria para otimizar o design para necessidades específicas do cliente. Esses modelos podem envolver aluguel de bateria e “energia por hora” ou outras ofertas de bateria como serviço. Isso limitaria os custos de transporte incorridos ao adquirir e reaproveitar as baterias e depois enviá -las para os clientes. As empresas também podem investir em tecnologias que reduzem o esforço de teste e aumentam a confiança no desempenho futuro de uma bateria. Os OEMs precisam investir a maior parte do tempo e energia no lançamento de novos modelos de EV e gerenciar a transição de veículos alimentados por motores de combustão interna. Esperamos que os fabricantes de cátodo e células evitem as aplicações de segunda vida, pois estes canibalizam suas vendas para os mercados da SES. (Consulte o Anexo 6.) Create scalable, standardized processes to lower the cost of repurposing. Secure exclusive access to batteries from high-volume vehicle models, learn to test and process the battery pack efficiently, and gain scale in the design, integration, and certification processes. To reduce disassembly costs and cell-matching challenges, design solutions that use the full battery module or full pack. Exclusive access will also support competitive differentiation, which is harder to maintain if rivals are repurposing the same batteries. At the same time, keep a sharp eye out for customers willing to pay for customization or variants of your standard offering.
• Broaden hardware and services offerings. Sell a more complete scope of supply, focusing on where you can build a cost advantage. A hardware offering could include inverters and hybrid energy systems—an integrated system for solar and battery storage, for example. A service offering could involve engineering, wireless over-the-air performance upgrades, and charging solutions. A design offering might include mixing and matching used and new battery modules to optimize the design for specific customer needs.
• Use value-based pricing. Create headroom for pricing through innovative business models that allow you to decouple price from a battery’s remaining useful life. Such models could involve battery rentals and “power by the hour” or other battery-as-a-service offerings.

A company can further minimize costs by creating a local-for-local model in which EV batteries are adapted for second-life applications within the same region. This would limit transportation costs incurred by acquiring and repurposing batteries, then shipping them to customers. Companies can also invest in technologies that reduce the testing effort and increase confidence in a battery’s future performance.

At least in the near term, we expect the dominant model in repurposing batteries for a second life to be OEMs partnering with SES companies. OEMs need to invest most of their time and energy in launching new EV models and managing the transition from vehicles powered by internal combustion engines. We expect cathode and cell manufacturers to steer clear of second-life applications, as these cannibalize their sales to SES markets. (See Exhibit 6.)

À medida que a economia melhorar, a tentação de OEMs para participar diretamente aumentará. A VW, por exemplo, anunciou recentemente planos de usar baterias de segunda vida em estações de carregamento. E é fácil imaginar que a Tesla possa usar suas próprias baterias de segunda vida em seu portfólio de armazenamento estacionário de marca. As baterias EV serão construídas melhor e durarão mais. A vida útil das baterias para aplicações de segunda vida pode exceder em até cinco anos a vida útil do EV que eles inicialmente alimentavam. À medida que a vida útil restante aumenta, a economia das aplicações de segunda vida melhorará. Até 2030, é provável que os materiais utilizados mudem de níquel, cobalto e manganês para elementos mais abundantes e mais baratos, como enxofre, forçando as receitas e margens de reciclagem. Como resultado, os recicladores devem levar em consideração os principais fatores de sucesso discutidos acima que lhes permitirão manter a lucratividade. As empresas devem tomar várias etapas.

Smoothing the Transition

In the decades ahead, advances in technology will shift value in the circular economy from recycling to second life. EV batteries will be built better and last longer. The useful life of batteries for second-life applications could exceed by as many as five years the useful life of the EV they initially powered. As their remaining useful life increases, the economics of second-life applications will improve.

Under these conditions, the availability of batteries suitable for recycling would decline, and changes in cell chemistries could make recycling even less attractive. By 2030, the materials used are likely to shift from nickel, cobalt, and manganese to more abundant and less expensive elements such as sulfur, forcing down recycling revenues and margins. As a result, recyclers must take into account the key success factors discussed above that will enable them to maintain profitability.

To ensure that the circular economy remains robust as these changes unfold, stakeholders need to promote collaboration and clarity. Companies should jointly take several steps.

• Secure industry support for design principles that optimize EV batteries for the circular economy—including end-of-life considerations in the design of battery cells, packs, and housings and optimizing module size for both first- and second-life uses.
• Desenvolva conceitos de arquitetura aberta e licenciamento para dados históricos da bateria e desempenho no nível da célula para permitir que terceiros leiam os dados sem solicitá-los do OEM. Isso reduzirá a mão -de -obra necessária para reaproveitar as baterias e os custos associados ao vencimento superdimensionado. Isso pode incluir, por exemplo, instituir padrões regulatórios que declaram claramente como a responsabilidade é transferida quando uma bateria de EV é reaproveitada para uma aplicação de segunda vida. Os anos 2020 serão marcados pela inovação contínua no design, reciclagem e reutilização de baterias; e os volumes mais altos da década de 2030 provavelmente se traduzirão em lucros sustentáveis. Os modelos comprovados de reciclagem e reutilização terão efeitos reverberantes em todo o ecossistema de bateria, promovendo mudanças na demanda de produtos virgens, estruturas de custos da cadeia de suprimentos, disposições de venda de OEM e parcerias estratégicas. Grato a John Hruska, Arushi Sohi, Yasin Sunak e Changsheng Yao por suas contribuições para este relatório. Nathan Niese
• Clarify the extended responsibilities of battery producers. This could include, for example, instituting regulatory standards that clearly state how liability is transferred when an EV battery is repurposed for a second-life application.

Looking Ahead

All told, there are many encouraging signs for the circular economy in EV batteries, as well as an overriding public desire for EV batteries to be a success story. The 2020s will be marked by continued innovation in battery design, recycling, and reuse; and the higher volumes of the 2030s will likely translate into sustainable profits. Proven recycling and reuse models will have reverberating effects throughout the battery ecosystem, promoting changes in virgin product demand, supply chain cost structures, OEM selling provisions, and strategic partnerships.

By staying on top of the changes and designing strategies that flourish within this circular economy, participants across the value chain can ensure the commercial and environmental sustainability of EV batteries.

The authors are grateful to John Hruska, Arushi Sohi, Yasin Sunak, and Changsheng Yao for their contributions to this report.