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Resumo(s)
The growing adoption of Lithium-ion Batteries (LiBs) in electric vehicles, portable electronics, and
energy storage systems has intensified concerns regarding the sustainable management of end-oflife
batteries and the recovery of critical raw materials. In this context, recycling plays a key role in
supporting resource security, reducing environmental impacts, and promoting circular economy
strategies.
This master’s thesis presents a Life Cycle Assessment (LCA) of black mass production from spent
lithium-ion batteries at the Eneris B&R recycling facility (Żarki, Poland). The study focused on the
mechanical pretreatment process and the generation of black mass, a secondary material rich in
valuable metals such as lithium, cobalt, nickel, manganese, copper, and aluminum. The assessment
was conducted using primary industrial data collected from the facility and complemented with
background datasets from the Ecoinvent v3.12 database. The methodology followed the
requirements established by ISO 14040 and ISO 14044 standards and was implemented using
SimaPro software. The Environmental Footprint (EF 3.1) impact assessment method was applied to
evaluate thirteen environmental impact categories.
The functional unit was defined as the production of 1 kg of dry black mass, and the system
boundary was limited to the gate-to-gate recycling operations, including collection and sorting,
battery discharge, dismantling, shredding, evaporation and drying, and mechanical separation. The
environmental assessment identified electricity consumption as the dominant environmental
hotspot, representing the largest contribution across most impact categories, including climate
change, freshwater ecotoxicity, fossil resource use, acidification, photochemical ozone formation,
particulate matter formation, and human toxicity. Mechanical separation was identified as the most
environmentally intensive stage, followed by shredding, and evaporation and drying. Together,
these three operations accounted for approximately 80–90% of the environmental impacts across
most categories.
In addition to energy consumption, the treatment of electrolyte-derived streams was identified as
a relevant secondary hotspot. Electrolyte losses, volatile organic compounds (VOCs) emissions, and
condensed VOC streams contributed significantly to several impact categories, particularly climate
change and freshwater ecotoxicity, highlighting the importance of effective electrolyte recovery and
emission management systems.
To evaluate potential improvement opportunities, a scenario analysis was performed comparing the
existing Polish grid electricity mix with a photovoltaic (PV) electricity scenario. The results
demonstrated substantial environmental improvements associated with renewable electricity use,
including reductions of 91.0% in climate change impacts, 94.7% in freshwater eutrophication, 89.8%
in acidification, and 89.3% in fossil resource use. However, the PV scenario resulted in higher
impacts for mineral and metal resource use due to the material requirements associated with PV
system manufacturing.
Overall, the results demonstrate that the environmental performance of black mass production is
primarily driven by energy-related inputs. Consequently, improvements in energy efficiency,
optimization of compressed-air systems, enhanced electrolyte recovery, and the integration of
renewable electricity sources represent the most promising strategies for reducing the environmental impacts of lithium-ion battery recycling. Furthermore, the study contributes to the
development of environmental datasets for battery recycling processes and supports the
implementation of sustainability reporting frameworks such as the Digital Battery Passport and
broader European circular economy initiatives.
A crescente utilização de baterias de iões de lítio em veículos elétricos, dispositivos eletrónicos portáteis e sistemas de armazenamento de energia tem aumentado a preocupação com a gestão sustentável das baterias em fim de vida e com a recuperação de matérias-primas críticas. Neste contexto, a reciclagem assume um papel fundamental na garantia da segurança do abastecimento de recursos, na redução dos impactes ambientais e na promoção dos princípios da economia circular. O presente trabalho apresenta uma Avaliação do Ciclo de Vida (ACV) da produção de black mass a partir de baterias de iões de lítio usadas, tendo como caso de estudo a instalação de reciclagem da Eneris B&R, localizada em Żarki, Polónia. O estudo incidiu sobre o processo de pré-tratamento mecânico e produção de black mass, um material secundário rico em metais valiosos como lítio, cobalto, níquel, manganês, cobre e alumínio. A avaliação foi efetuada com base em dados primários industriais fornecidos pela instalação e complementada com dados secundários da base de dados Ecoinvent v3.12. A metodologia seguida respeitou os requisitos das normas ISO 14040 e ISO 14044 e foi implementada através do software SimaPro. Para a avaliação dos impactes ambientais foi utilizada a metodologia Environmental Footprint (EF 3.1), abrangendo treze categorias de impacte. A unidade funcional foi definida como a produção de 1 kg de black mass seca e as fronteiras do sistema foram estabelecidas segundo uma abordagem gate-to-gate, incluindo as etapas de receção e triagem, descarga das baterias, desmontagem, trituração, evaporação e secagem, e separação mecânica. A avaliação ambiental identificou o consumo de eletricidade como o principal hotspot ambiental do processo, representando a maior contribuição para a maioria das categorias de impacte, incluindo alterações climáticas, ecotoxicidade aquática de água doce, utilização de recursos fósseis, acidificação, formação de ozono fotoquímico, formação de partículas e toxicidade humana. A separação mecânica foi identificada como a etapa ambientalmente mais intensiva, seguida pela trituração e pela evaporação e secagem. Em conjunto, estas três operações foram responsáveis por aproximadamente 80–90% dos impactes ambientais na maioria das categorias avaliadas. Além dos consumos energéticos, a gestão dos fluxos provenientes do eletrólito foi identificada como um hotspot ambiental secundário relevante. As perdas de eletrólito, as emissões de compostos orgânicos voláteis (VOCs) e as correntes condensadas de VOCs contribuíram significativamente para diversas categorias de impacte, em particular para as alterações climáticas e a ecotoxicidade aquática de água doce, evidenciando a importância de sistemas eficientes de recuperação do eletrólito e de controlo de emissões. Com o objetivo de avaliar oportunidades de melhoria, foi realizada uma análise de cenários comparando o mix elétrico polaco atualmente utilizado com um cenário alternativo baseado em eletricidade fotovoltaica. Os resultados demonstraram melhorias ambientais substanciais associadas à utilização de eletricidade renovável, incluindo reduções de 91,0% nas alterações climáticas, 94,7% na eutrofização de água doce, 89,8% na acidificação e 89,3% na utilização de recursos fósseis. No entanto, o cenário fotovoltaico apresentou um aumento dos impactes na categoria de utilização de recursos minerais e metálicos, refletindo os requisitos materiais associados ao fabrico dos sistemas fotovoltaicos. De uma forma global, os resultados demonstram que o desempenho ambiental da produção de black mass é predominantemente determinado pelos consumos energéticos do processo. Consequentemente, o aumento da eficiência energética, a otimização dos sistemas de ar comprimido, a melhoria da recuperação do eletrólito e a integração de fontes de eletricidade renovável constituem as estratégias mais promissoras para reduzir os impactes ambientais da reciclagem de baterias de iões de lítio. Adicionalmente, este trabalho contribui para o desenvolvimento de dados ambientais associados aos processos de reciclagem de baterias e para a implementação de instrumentos de reporte de sustentabilidade, como o Passaporte Digital da Bateria, apoiando simultaneamente os objetivos da economia circular e da transição sustentável na União Europeia.
A crescente utilização de baterias de iões de lítio em veículos elétricos, dispositivos eletrónicos portáteis e sistemas de armazenamento de energia tem aumentado a preocupação com a gestão sustentável das baterias em fim de vida e com a recuperação de matérias-primas críticas. Neste contexto, a reciclagem assume um papel fundamental na garantia da segurança do abastecimento de recursos, na redução dos impactes ambientais e na promoção dos princípios da economia circular. O presente trabalho apresenta uma Avaliação do Ciclo de Vida (ACV) da produção de black mass a partir de baterias de iões de lítio usadas, tendo como caso de estudo a instalação de reciclagem da Eneris B&R, localizada em Żarki, Polónia. O estudo incidiu sobre o processo de pré-tratamento mecânico e produção de black mass, um material secundário rico em metais valiosos como lítio, cobalto, níquel, manganês, cobre e alumínio. A avaliação foi efetuada com base em dados primários industriais fornecidos pela instalação e complementada com dados secundários da base de dados Ecoinvent v3.12. A metodologia seguida respeitou os requisitos das normas ISO 14040 e ISO 14044 e foi implementada através do software SimaPro. Para a avaliação dos impactes ambientais foi utilizada a metodologia Environmental Footprint (EF 3.1), abrangendo treze categorias de impacte. A unidade funcional foi definida como a produção de 1 kg de black mass seca e as fronteiras do sistema foram estabelecidas segundo uma abordagem gate-to-gate, incluindo as etapas de receção e triagem, descarga das baterias, desmontagem, trituração, evaporação e secagem, e separação mecânica. A avaliação ambiental identificou o consumo de eletricidade como o principal hotspot ambiental do processo, representando a maior contribuição para a maioria das categorias de impacte, incluindo alterações climáticas, ecotoxicidade aquática de água doce, utilização de recursos fósseis, acidificação, formação de ozono fotoquímico, formação de partículas e toxicidade humana. A separação mecânica foi identificada como a etapa ambientalmente mais intensiva, seguida pela trituração e pela evaporação e secagem. Em conjunto, estas três operações foram responsáveis por aproximadamente 80–90% dos impactes ambientais na maioria das categorias avaliadas. Além dos consumos energéticos, a gestão dos fluxos provenientes do eletrólito foi identificada como um hotspot ambiental secundário relevante. As perdas de eletrólito, as emissões de compostos orgânicos voláteis (VOCs) e as correntes condensadas de VOCs contribuíram significativamente para diversas categorias de impacte, em particular para as alterações climáticas e a ecotoxicidade aquática de água doce, evidenciando a importância de sistemas eficientes de recuperação do eletrólito e de controlo de emissões. Com o objetivo de avaliar oportunidades de melhoria, foi realizada uma análise de cenários comparando o mix elétrico polaco atualmente utilizado com um cenário alternativo baseado em eletricidade fotovoltaica. Os resultados demonstraram melhorias ambientais substanciais associadas à utilização de eletricidade renovável, incluindo reduções de 91,0% nas alterações climáticas, 94,7% na eutrofização de água doce, 89,8% na acidificação e 89,3% na utilização de recursos fósseis. No entanto, o cenário fotovoltaico apresentou um aumento dos impactes na categoria de utilização de recursos minerais e metálicos, refletindo os requisitos materiais associados ao fabrico dos sistemas fotovoltaicos. De uma forma global, os resultados demonstram que o desempenho ambiental da produção de black mass é predominantemente determinado pelos consumos energéticos do processo. Consequentemente, o aumento da eficiência energética, a otimização dos sistemas de ar comprimido, a melhoria da recuperação do eletrólito e a integração de fontes de eletricidade renovável constituem as estratégias mais promissoras para reduzir os impactes ambientais da reciclagem de baterias de iões de lítio. Adicionalmente, este trabalho contribui para o desenvolvimento de dados ambientais associados aos processos de reciclagem de baterias e para a implementação de instrumentos de reporte de sustentabilidade, como o Passaporte Digital da Bateria, apoiando simultaneamente os objetivos da economia circular e da transição sustentável na União Europeia.
Descrição
Palavras-chave
Avaliação do Ciclo de Vida (ACV) Baterias de iões de lítio Black mass Reciclagem de baterias Matérias-primas críticas Pegada ambiental Economia circular Eletricidade renovável Life Cycle Assessment (LCA) Lithium-ion batteries Black mass Battery recycling Critical raw materials Environmental footprint Circular economy Renewable electricity