Closing the loop of lithium-ions batteries. An investigation over the critical success factors in the automotive sector

Purpose: The purpose of this thesis is to define how to implement a successful Closed Loop Supply Chain for automotive lithium-ions batteries focusing on lithium recycling since, so far, this material is not recovered by spent batteries. Recently, the problem of future remarkable flows of spent automotive Li-batteries is attracting attention of researchers due to the expected exponential diffusion of Electric Vehicles all over the world and on the growing issues related to virgin lithium accessibility. In order to define a framework of proposed actions for the lithium-ions battery system, I used the lead-acid battery system as reference since it is a perfect example of implementation of loop closing solution. Design/Methodology/Approach: The research was conducted in two phases. Firstly, I performed the literature analysis in order to identify key factors that influence the development of a Closed Loop Supply Chain solution. Then, the case-based research approach was employed to perform empirical examination of lithium-ions battery and lead-acid battery systems based on the factors identified in the first stage. In particular, seven manufacturers, three collectors and seven recyclers were engaged from both batteries systems. After the collection and encoding of data, I examined separately each system. Then, I performed a comparative analysis in order to come up with relevant enablers and bottlenecks. Main Findings: The comparative analysis demonstrates that the two systems present both similarities and differences. Indeed, following the purpose of closing the loop, legislations, companies’ interactions among players of the battery system and network infrastructure are seen by both the systems as enabling conditions. In particular, legislation is seen by all the actors a fundamental driver. The main differences are among lithium-ion battery and lead-acid battery manufacturers in terms of technological aspects (product design and recycling technologies), financial aspects, and quality of recycled materials. The former ones consider all these factors as bottlenecks for Closed Loop Supply Chain; instead, the latter ones as enablers. The Li-batteries recyclers give also attention to volume of end-of-life batteries, an important factor that allows recyclers to achieve economies of scale. These bottlenecks are very important as indications for actions needed for the development of the Closed Loop Supply Chain for Li-batteries. In particular, the battery technology must be standardized, the recyclers have to invest in new recycling technologies, precise targets for collection and recycling must be set, etc. Research Limitations and Implications: The analysis is limited by the number of companies considered and the geographical scope of consideration. Therefore, given the variety of stakeholders involved in the battery system there is large space for further research. Moreover, as the lithium-ions battery system is still evolving, the framework which I proposed should be reviewed within few years. Practical Implications: Battery manufacturers and recyclers need to collaborate in order to solve the problems related to the complexity of preforming recycling activities. The design of the Li-battery could facilitate recycling activities by reducing the presence of a high variety of materials with the replacement of few materials in larger quantity. In addition, the recycling implications must be considered from the design stage of the product. Moreover, to solve the problem of volume mixing contamination, a label, which allows to distinguish the different battery technologies, needs to be defined. Finally, policy makers need to define new regulations to improve the recovery of wasted products, to grant incentives to recyclers for making new investments in more reliable and sustainable recycling technologies, and finally to sanction illegal flows of spent batteries.

Scopo: Lo scopo di questa tesi è quello di definire l’implementazione di una filiera a ciclo chiuso (le cosiddette Closed Loop Supply Chain) di successo per le batterie al litio impiegate nelle auto elettriche. In particolare, il focus è incentrato sulla possibilità di riciclare il litio contenuto in queste batterie, dato che ad ora questo materiale non viene recuperato. In questi anni, il problema di come verranno gestiti i volumi futuri di batterie esauste al litio sta attirando l’attenzione dei ricercatori. Ciò è dovuto sia per l’esponenziale diffusione dell’auto elettrica sia per le crescenti preoccupazioni legate all’approvvigionamento del litio. Perciò, per definire delle azioni che potrebbero risolvere le criticità legate alla batteria al litio, ho analizzato il sistema industriale delle batterie al piombo come riferimento in quanto esempio perfetto di implementazione di una filiera a ciclo chiuso. Design/Metodologia/Approccio: Lo studio è stato condotto in due fasi. Inizialmente ho analizzato la letteratura al fine di individuare i principali fattori chiave che influenzano lo sviluppo di una chiusura della filiera. Poi, sulla base dei fattori definiti precedentemente, ho effettuato un’analisi empirica utilizzando l’approccio di ricerca basato su casi studio per entrambe le due tipologie di batterie (litio e piombo). In particolare, nell’analisi sono stati coinvolti: sette produttori, tre consorzi (raccolta e/o trattamento) e sette riciclatori. Dopo la raccolta e la codifica dei dati, ho esaminato separatamente i due sistemi. Quindi, per ottenere dei risultati ho eseguito un’analisi comparativa tra le due tipologie di batterie. Risultati Principali: L'analisi comparativa dimostra che i due sistemi presentano sia somiglianze che differenze. Infatti, seguendo lo scopo di chiusura della filiera, le normative, i rapporti di collaborazione tra gli attori appartenenti alla medesima supply chain e l'infrastruttura di raccolta sono considerati da entrambi i sistemi come condizioni abilitanti. In particolare, le leggi e le regole (sia a livello Europeo sia Italiano) sono definite da tutti gli attori considerati come un driver fondamentale. Le principali differenze sono tra i produttori di batterie agli ioni di litio e batterie piombo-acido in termini di aspetti tecnologici (design del prodotto e tecnologie di riciclaggio), aspetti finanziari e qualità dei materiali riciclati. I produttori di batterie al litio considerano i fattori appena menzionati come criticità per la chiusura della supply chain; invece, i produttori di batterie al piombo considerano i medesimi come fattori di successo. I riciclatori di batterie al litio danno molta importanza ai volumi di batterie esauste, in quanto questo fattore permette a chi svolge attività di riciclo di beneficiare di economie di scale. Le criticità evidenziate sono molto importanti in quanto permettono di evidenziare le azioni necessarie per l’implementazione di una supply chain chiusa per le batterie al litio. In particolare, la tecnologia e il design delle batterie devono essere standardizzati, i riciclatori devono investire in nuove tecnologie di riciclaggio, nuovi obiettivi per la raccolta e il riciclaggio devono essere fissati, ecc. Limitazioni dello studio e Implicazioni: l'analisi è limitata dal numero di aziende considerate e dall'ambito geografico di considerazione. Pertanto, data la varietà di parti interessate coinvolte nel sistema delle batterie, c'è ampio spazio per ulteriori ricerche. Inoltre, poiché la batteria al litio è in continua evoluzione, i suggerimenti proposti potrebbero richiedere future modifiche. Implicazioni pratiche: i produttori di batterie e i riciclatori devono collaborare così da poter risolvere i problemi legati alla complessità sia della batteria sia delle attività di riciclaggio. Per facilitare le attività di riciclo la batteria deve essere composta da pochi materiali e in quantità maggiori e inoltre, le implicazioni del riciclaggio devono essere considerate dalla fase di progettazione del prodotto. In aggiunta, per risolvere il problema della contaminazione dei flussi di batterie esauste, è necessario che il produttore definisca un'etichetta che consenta di distinguere i diversi tipi di batterie. Infine, la Comunità Europea e i diversi Stati devono definire nuove norme per migliorare il recupero dei prodotti esausti, incentivare i riciclatori a effettuare nuovi investimenti in tecnologie di riciclaggio più affidabili e sostenibili e sanzionare chi svolge attività di riciclo illegali.