Nos quedamos sin material para la producción masiva actual de baterias

Para satisfacer la demanda de automóviles eléctricos y sistemas de almacenamiento, los científicos están acelerando la investigación sobre avances alternativos y técnicas de reciclaje. Las baterías de iones de litio seguirán ocupando la posición hegemónica durante un tiempo.

                              

Hay diez baterías en una casa o lugar de trabajo promedio. Teléfonos móviles, relojes de pulsera, portátiles, tabletas, videoconsolas, electrodomésticos, herramientas, altavoces, bicicletas y scooters son solo algunos ejemplos. La misma tecnología, baterías de celdas de iones de litio, sustenta todos los dispositivos. 

Sin embargo, estas baterías son caras, tienen poca capacidad y pierden gradualmente su eficacia. La cuestión es que no hay suficientes reservas de su elemento químico primario, y porque China, Australia, Congo, Chile, Sudáfrica e Indonesia controlan la producción de este y otros recursos esenciales como cobalto, vanadio, molibdeno, níquel, cobre, grafito o manganeso, entre otros. Este problema empeora con el auge del vehículo eléctrico y el requisito de almacenamiento de energía para fuentes renovables intermitentes. El Centro Común de Investigación (JRC) de la Comisión Europea realizó un estudio para examinar posibles soluciones.

La demanda de materiales para baterías será entre un 30 y un 40 por ciento superior a la oferta para 2050, según el Fondo Monetario Internacional, como resultado del aumento del consumo. En este sentido, el líder europeo en baterías y centro vasco de investigación CIC energiGUNE lanza la siguiente advertencia: “Es fundamental tomar decisiones rápidas y colectivas”.

Los estándares de cero emisiones se agregan al uso diario en el hogar y la oficina. En consecuencia, habrá 50 millones de vehículos eléctricos en Europa en siete años y, para 2050, casi la totalidad de los 270 millones de vehículos que compondrán la flota de la UE deberían ser eléctricos.

La demanda de baterías está impulsada principalmente por la movilidad eléctrica, aunque también hay otros factores. Según Johan Söderbom, responsable de redes inteligentes y almacenamiento de Innoenergy, "Actualmente, la electromovilidad lidera la demanda del mercado de baterías, pero no se debe infravalorar, para evitar tensiones en la industria, la demanda del estacionario [que permitirá el almacenamiento de electricidad procedente de fuentes de energía renovables intermitentes, como la eólica y la solar, o complementar la capacidad de las pilas existentes]". Según las proyecciones de la UE, las baterías estacionarias necesitarán entre 80 y 160 gigavatios-hora en 20 años, y los vehículos requerirán 1 coma 5 teravatios-hora (1.500 millones de vatios).

El JRC está de acuerdo con la advertencia de Söderbom y afirma que: "Los precios para los sistemas estacionarios son mucho más altos por kilovatio-hora de energía almacenada que para las baterías de vehículos eléctricos debido a los costos adicionales de los elementos del sistema". Invertir en el desarrollo y la fabricación de baterías como las de litio -ferrofosfato (LFP), sodio (Na-ion) o flujo de reacción de reducción-oxidación (redox-RFB) es la solución, según el centro de investigación europeo.

Dado que más del 80 % del litio del mundo proviene de Chile, Australia y China, y más del 60 % del cobalto de la República Democrática del Congo, estos desarrollos tienen como objetivo disminuir la dependencia de materias primas vitales de los sistemas existentes. No son, sin embargo, las únicas líneas. “Tenemos que conseguir que las baterías sean más inteligentes y para eso hay que mejorar aspectos muy concretos, como los sensores de las celdas o la capacidad de autorreparación”, explica Robert Dominko, investigador de la Universidad de Ljubljana (Eslovenia) y miembro de la directiva de la iniciativa europea Batería 2030.

El informe del Centro de Investigación Conjunta afirma que las tecnologías basadas en iones de litio seguirán dominando el mercado en los próximos años y enumera los siguientes desarrollos junto con sus ventajas e inconvenientes, así como posibles alternativas.

LFP, o ferrocarboxilato de litio

En lugar de utilizar materiales caros como el cobalto y el níquel, es una tecnología más asequible, duradera y segura. Aunque tiene una menor densidad de energía (la relación entre la capacidad de almacenamiento y el volumen que ocupa) que las combinaciones de níquel-manganeso-cobalto (NMC), se está volviendo cada vez más importante en aplicaciones móviles y estacionarias. así como NCA (níquel, cobalto y aluminio). Sus principales inconvenientes son las limitadas capacidades de fabricación de la UE y su bajo valor en la cadena de reciclaje.

NMC (níquel, manganeso y cobalto)

Debido a las modificaciones, el último componente ya no es tan importante en esta costosa batería. Su principal beneficio es su alto valor de reciclaje, pero también se utiliza escasamente en la cadena de producción europea. En el sector de la automoción se utilizan con frecuencia variantes con más níquel y menos cobalto.

Aluminio, níquel y cobalto (NCA)

Esta innovación, que Tesla usa ampliamente, compite con tecnologías anteriores en aplicaciones EV pero tiene una vida útil más corta que NMC y menos estabilidad térmica. A pesar de su alto valor para el reciclaje, la producción europea es muy pequeña, casi inexistente.

LTO (litio y titanio) 

Sus componentes lo hacen caro y de baja densidad energética, pero también duran más, son seguros, tienen una alta capacidad de carga rápida y funcionan bien en ambientes calurosos o para tareas que requieren mucho tiempo sin recargar. Estos se fabrican en Europa.

Alternativas

Ion-sodio 

Según Johan Söderbom, el "desarrollo prometedor de la tecnología de iones de sodio" es uno de los secretos para vivir sin litio. Esto es más barato, más seguro y no necesita materias primas importantes, según el JRC. Sin embargo, funcionan peor que las baterías estándar de iones de litio. El foco de mucha investigación está en el sodio y el azufre porque tienen mayor densidad de energía, potencia, vida útil y capacidad de almacenamiento.

redox 

La mayoría de las baterías de flujo redox (que utilizan una reacción de reducción-oxidación) se fabrican con vanadio que se ha disuelto en ácido sulfúrico tóxico y corrosivo. El vanadio es estable y asequible, entre sus muchas ventajas. Sin embargo, no es atractivo si una de estas baterías tiene fugas. Un investigador de CIC energiGUNE llamado Eduardo Sánchez le dijo a la revista científica europea Horizon que los tanques debían construirse para que fueran muy duraderos.

Los elementos clave de esta tecnología son dos líquidos, uno cargado positivamente y otro negativamente, que se bombean a una cámara cuando la batería está en uso, donde están separados por una membrana permeable e intercambian electrones para producir una corriente. El objetivo de la investigación actual es identificar combinaciones químicas que sean asequibles, seguras y no críticas, como soluciones salinas en agua que pueden almacenar iones a base de carbono y podrían usarse como un método de almacenamiento de energía estacional.

Estado Sólido 

Las baterías tradicionales de iones de litio están compuestas por tres partes principales: un electrolito, un ánodo y un cátodo, dos electrodos sólidos. Cuando la batería está en uso, los electrones se mueven del ánodo al cátodo para alimentar cualquier dispositivo. La carga negativa del cátodo atrae iones de litio positivos, que se dispersan a través del electrolito. El procedimiento se invierte cuando la batería se está cargando. Para aumentar la densidad energética, la seguridad y la agilidad de fabricación, el proyecto europeo ASTRABAT busca sustituir un electrolito sólido (como un material cerámico o un gel) por este líquido.

La coordinadora francesa del proyecto, Sophie Mailley, afirma que "este campo todavía requiere innovación".

Otras baterías que se están investigando incluyen baterías de iones de litio con ánodos ricos en silicio (que Mercedes-Benz comenzará a usar a partir de 2025), litio-metal (que Volkswagen se compromete a desarrollar para 2025), litio-azufre o litio-aire, que usa oxidación de litio en el ánodo y reducción de oxígeno en el cátodo para inducir el flujo de corriente.

Existe consenso en que las baterías más conocidas, asequibles y desarrolladas, las que se utilizan para arrancar vehículos de combustión o como sistemas auxiliares, “no pueden mantener su posición como líderes del mercado con la movilidad eléctrica en alza”, según la JCR.

Reciclaje

El reciclaje, que podría reducir la extracción de litio, cobalto y níquel entre un 25 y un 35 por ciento en 15 años, es otro factor importante para asegurar la disponibilidad a largo plazo de estas partes fundamentales de dispositivos, vehículos y sistemas de almacenamiento, según un estudio del Instituto para un Futuro Sostenible de la Universidad Tecnológica de Sídney (Australia). En todo el mundo, las baterías de iones de litio pesan 600 000 toneladas métricas de reciclaje. Para 2030, se prevé que esta cantidad supere 1 punto 6 millones de toneladas métricas.

Sin embargo, es desafiante y costoso reciclar estas baterías y los metales que contienen. "La batería de un vehículo eléctrico es una pieza de tecnología muy compleja con muchos componentes, por lo que una instalación para su reciclaje es muy complicada. A la larga, eso va a ser importante, pero a corto plazo tiene mucho camino por recorrer", según el geólogo Michael McKibben de la Universidad de California.

Según estudios recopilados por Science Direct, reciclar el litio de las baterías es cinco veces más caro que extraerlo. La fundición de los dispositivos de extracción de metales, por ejemplo, utiliza mucha energía, produce gases peligrosos y no puede extraer el valioso litio. Los investigadores están estudiando alternativas más eficientes.