End-of-life strategies for EV Li-ion batteries: a chemistry-informed system dynamics approach in the EU circular economy framework

The rapid global expansion of electric vehicles necessitates comprehensive and sustainable strategies for managing Li-ion batteries at their End-of-Life (EoL). This study addresses this critical challenge through a dynamic and holistic analysis of the entire passenger cars’ Li-ion battery supply chain with a specific focus on the European context. The primary objective is to generate actionable insights for strategic decision-making within a Circular Economy (CE) framework, focusing on Li-ion battery chemistries and their implications on EoL strategy selection. Under this framework, repurposing for second-life applications, remanufacturing, and recycling processes are deeply analyzed. Thus, a System Dynamics model was developed to quantify future battery flows and material demand over a simulation period from 2015 to 2035. The analysis reveals that over 95% of EoL batteries are suitable for more virtuous strategies like repurposing or remanufacturing, rather than immediate recycling. EoL batteries are projected to become the primary recycling source by the end of the decade, and European recycling capacity is expected to accommodate these volumes. Nevertheless, recycling alone will not eliminate the need for primary mineral supply, though it holds significant expansion potential driven by the increasing EoL battery volumes. Pyrometallurgical and hydrometallurgical processes alone demonstrate to be insufficient to meet ambitious EU recycling targets for 2025 and 2030 set by the new EU Battery Regulation 2023/1542, their combined application with mechanical recycling can achieve some of these overall targets. To ground these theoretical findings, a real-world case study of the mechanical recycling process developed by the Italian company Seval is integrated. This provides practical insights into recycling market dynamics, challenges, and opportunities. Modeling results and comparative analyses underscore that efficient EoL battery management can significantly enhance CE impact and reduce dependence on primary critical minerals. This necessitates careful planning, international cooperation, and the adoption of sustainable practices across the entire supply chain.

La rapida espansione dei veicoli elettrici rende indispensabile l'adozione di strategie sostenibili per la gestione delle batterie agli ioni di litio arrivate a fine vita (EoL). Questa cruciale sfida è affrontata attraverso un'analisi dinamica e olistica dell'intera catena di fornitura delle batterie agli ioni di litio per autovetture, con un focus specifico sul contesto europeo. L'obiettivo primario è fornire spunti operativi per il processo decisionale strategico all'interno di un quadro di Economia Circolare. Ci si concentra sulle chimiche delle batterie agli ioni di litio e sulle loro implicazioni nella selezione delle strategie EoL. Vengono approfonditi il riuso per applicazioni di seconda vita, la rigenerazione e i processi di riciclo. A tal fine, è stato sviluppato un modello di System Dynamics per quantificare i futuri flussi di batterie e la domanda di materiali tra il 2015 e il 2035. L'analisi rivela che oltre il 95% delle batterie EoL sono idonee a strategie più virtuose del riciclo immediato, come il riuso o la rigenerazione. Permarrà la necessità di approvvigionamento di minerali primari, sebbene il riciclo detenga un significativo potenziale di espansione, trainato dall'aumento dei volumi di batterie EoL. Nonostante i processi pirometallurgici e idrometallurgici da soli si dimostrino insufficienti per raggiungere gli ambiziosi obiettivi di riciclo dell'UE per il 2025 e il 2030, stabiliti dal nuovo Regolamento UE sulle batterie 2023/1542, la loro applicazione combinata con il riciclo meccanico potrà permettere il raggiungimento di alcuni di questi obiettivi complessivi. A supporto di queste scoperte teoriche, è stato integrato un caso studio reale, focalizzato sul processo di riciclo meccanico sviluppato dall'azienda italiana Seval, fornendo intuizioni pratiche sulle dinamiche del mercato del riciclo, sulle sfide e sulle opportunità. I risultati sottolineano che una gestione efficiente delle batterie EoL può migliorare molto l'impatto dell'Economia Circolare e ridurre la dipendenza dai minerali critici primari. Ciò richiede attenta pianificazione, cooperazione internazionale, e adozione di pratiche sostenibili lungo l'intera catena di fornitura.