No hay material para tanta bater¨ªa

En un entorno dom¨¦stico o laboral habitual hay una decena de bater¨ªas. M¨®viles, relojes, port¨¢tiles, tabletas, consolas, electrodom¨¦sticos, herramientas, altavoces, bicicletas, patinetes¡­ Todos los dispositivos se fundamentan en la misma tecnolog¨ªa: pilas de celdas de iones de litio. Sin embargo, estas bater¨ªas son caras, tienen una limitada capacidad y pierden eficacia con el tiempo. Las razones de su carest¨ªa se deben a que las reservas de su principal elemento qu¨ªmico son insuficientes y media docena de pa¨ªses (China, Australia, Congo, Chile, Sur¨¢frica e Indonesia) acaparan la producci¨®n de este y otros recursos necesarios, como el cobalto, vanadio, molibdeno, n¨ªquel, cobre, grafito o manganeso, entre otros. La irrupci¨®n del coche el¨¦ctrico y las necesidades de almacenaje de energ¨ªa generada por fuentes renovables intermitentes agravan el problema. No hay material para tanta bater¨ªa. Un estudio del Centro Com¨²n de Investigaci¨®n (JRC, por sus siglas en ingl¨¦s) de la Comisi¨®n Europea analiza las posibles soluciones.

Seg¨²n el Fondo Monetario Internacional, el aumento del consumo hasta 2050 har¨¢ que la demanda de los materiales para pilas sea entre un 30% y un 40% superior a la oferta. En este sentido, el centro de investigaci¨®n vasco CIC energiGUNE, referente europeo en bater¨ªas, advierte: ¡°Es necesario tomar decisiones conjuntas y r¨¢pidas¡±.

Al uso dom¨¦stico y laboral habitual se suman las pol¨ªticas de cero emisiones. En este sentido, en siete a?os habr¨¢ 50 millones de veh¨ªculos el¨¦ctricos en Europa y, para 2050, casi todas las unidades de los 270 millones que conformar¨¢n el parque automovil¨ªstico de la UE deben serlo.

La movilidad el¨¦ctrica es el principal elemento impulsor de la demanda de bater¨ªas, pero no el ¨²nico. ¡°Actualmente, la electromovilidad lidera la demanda del mercado de bater¨ªas, pero no se debe infravalorar, para evitar tensiones en la industria, la demanda del estacionario [que permitir¨¢ el almacenamiento de electricidad procedente de fuentes de energ¨ªa renovables intermitentes, como la e¨®lica y la solar, o complementar la capacidad de las pilas existentes]¡±, advierte Johan S?derbom, responsable de redes inteligentes (smartgrids) y almacenamiento de Innoenergy en el reciente encuentro BatSum23. Las previsiones de la UE es que los veh¨ªculos precisar¨¢n en dos d¨¦cadas de 1,5 teravatios-hora (un bill¨®n y medio de vatios) y las bater¨ªas estacionarias, entre 80 y 160 gigavatios-hora.

La advertencia de S?derbom la corrobora el JRC, que advierte: ¡°Los precios para los sistemas estacionarios son mucho m¨¢s altos por kilovatio-hora de energ¨ªa almacenada que para las bater¨ªas de veh¨ªculos el¨¦ctricos debido a los costos adicionales de los elementos del sistema¡±. La soluci¨®n, seg¨²n el centro de investigaciones europeo es invertir en el desarrollo y producci¨®n de bater¨ªas como las de litio-ferrofosfato (LFP), las de sodio (Na-ion) o las de flujo de reacci¨®n de reducci¨®n-oxidaci¨®n (redox-RFB) sin vanadio.

Estos desarrollos buscan reducir la dependencia de las materias primas cr¨ªticas de los sistemas actuales, ya que m¨¢s del 80 % del litio mundial viene de Chile, Australia y China, mientras que m¨¢s del 60 % del cobalto llega de la Rep¨²blica Democr¨¢tica del Congo. Pero no son las ¨²nicas l¨ªneas. ¡°Tenemos que conseguir que las bater¨ªas sean m¨¢s inteligentes y para eso hay que mejorar aspectos muy concretos, como los sensores de las celdas o la capacidad de autorreparaci¨®n¡±, explica Robert Dominko, investigador de la Universidad de Liubliana (Eslovenia) y miembro de la directiva de la iniciativa europea Battery 2030+.

El informe del Centro Com¨²n de Investigaci¨®n se?ala que las tecnolog¨ªas basadas en iones de litio a¨²n mantendr¨¢n su hegemon¨ªa en el mercado en los pr¨®ximos a?os y se?ala los siguientes desarrollos, con su ventajas e inconvenientes, as¨ª como las alternativas.

Litio-ferrofosfato (LFP). Es una tecnolog¨ªa m¨¢s barata, duradera, segura y no contiene cobalto y n¨ªquel, que son materiales caros. Gana terreno en aplicaciones de movilidad y estacionarias y aumentar¨¢ en importancia en el futuro, aunque su densidad energ¨¦tica (relaci¨®n entre la capacidad de almacenamiento y el volumen que ocupa) es menor en comparaci¨®n con las de combinaci¨®n de n¨ªquel, manganeso y cobalto (NMC) y n¨ªquel, cobalto y aluminio (NCA). Su gran desventaja es su escaso valor en la cadena de reciclaje y las limitadas capacidades de fabricaci¨®n en la UE.

N¨ªquel, manganeso y cobalto (NMC). Es una bater¨ªa cara que se ha ido modificando para que el ¨²ltimo elemento no sea tan relevante. Su principal ventaja es su alto valor para el reciclaje, pero tambi¨¦n est¨¢ poco presente en la cadena de producci¨®n europea. Las variantes con menos cobalto y m¨¢s n¨ªquel son muy utilizadas en la industria de la automoci¨®n.

N¨ªquel, cobalto y aluminio (NCA). Este desarrollo, muy utilizado por Tesla, compite con las tecnolog¨ªas anteriores en aplicaciones para veh¨ªculos el¨¦ctricos, pero arroja una menor duraci¨®n que las de NMC y menos estabilidad t¨¦rmica. La producci¨®n europea es muy limitada, casi nula, pese a su alto valor para el reciclaje.

Litio y titanio (LTO). Sus componentes la hacen cara y con poca densidad energ¨¦tica, pero duran m¨¢s, son seguras, de alta capacidad de carga r¨¢pida y efectivas en condiciones de altas temperaturas o para tareas que precisan mucho tiempo sin recarga. Europa s¨ª las produce.

Alternativas

Ion-sodio. Para Johan S?derbom, una de las claves para prescindir del litio es el ¡°prometedor desarrollo de la tecnolog¨ªa ion-sodio¡±. Seg¨²n el JRC, esta es m¨¢s barata y segura y no precisa de materias primas cr¨ªticas. Sin embargo, arrojan un menor rendimiento que las convencionales de iones de litio. Las de sodio y azufre corrigen estas limitaciones al contar con mayor densidad energ¨¦tica, potencia, vida ¨²til y capacidad de almacenamiento, por los que es donde se est¨¢n centrando muchas investigaciones.

Redox. Las bater¨ªas de flujo redox (reacci¨®n de reducci¨®n-oxidaci¨®n), en su mayor¨ªa, se fundamentan en el vanadio disuelto en ¨¢cido sulf¨²rico, corrosivo y t¨®xico. ¡°El vanadio tiene muchas fortalezas: es barato y estable. Pero si tienes una fuga de una de estas bater¨ªas, eso no es agradable. Se deben dise?ar los tanques para que sean extremadamente duraderos¡±, explica Eduardo S¨¢nchez, investigador del CIC energiGUNE a la revista cient¨ªfica europea Horizon.

Los componentes principales de esta tecnolog¨ªa son dos l¨ªquidos, uno cargado positivamente y otro cargado negativamente, que se bombean, cuando la bater¨ªa est¨¢ en uso, a una c¨¢mara donde se separan por una membrana permeable e intercambian electrones para crear una corriente. Las investigaciones actuales se orientan a encontrar combinaciones qu¨ªmicas con materiales baratos, seguros y no cr¨ªticos, como soluciones salinas en agua que almacenen iones a base de carbono, que podr¨ªan ser una soluci¨®n para el almacenamiento estacional de energ¨ªa.

Estado s¨®lido. Las bater¨ªas tradicionales de iones de litio tienen tres componentes claves: dos electrodos s¨®lidos (¨¢nodo y c¨¢todo) y uno l¨ªquido (electrolito). Cuando la pila est¨¢ en uso, los electrones fluyen desde el ¨¢nodo al c¨¢todo para alimentar cualquier dispositivo. Los iones de litio positivos se difunden a trav¨¦s del electrolito, atra¨ªdos por la carga negativa del c¨¢todo. Cuando la bater¨ªa se est¨¢ cargando, el proceso se desarrolla a la inversa. El proyecto europeo ASTRABAT pretende sustituir este electrolito l¨ªquido por uno s¨®lido (como material cer¨¢mico) o un gel para ganar en densidad de energ¨ªa, seguridad y agilidad en la fabricaci¨®n.

Sin embargo, Sophie Mailley, coordinadora de este proyecto en Francia cree que ¡°a¨²n hace falta innovaci¨®n en este campo¡±. ¡°Las bater¨ªas de estado s¨®lido basadas en litio ya existen, pero usan un gel como electrolito y solo funcionan bien a temperaturas de aproximadamente 60 ¡ãC, lo que significa que no son adecuadas para muchas aplicaciones¡±, explica.

Otras bater¨ªas sobre las que se investiga son las de iones de litio con ¨¢nodos ricos en silicio (Mercedes-Benz incorporar¨¢ este material a partir de 2025), las de metal-litio (Volkswagen apuesta por esta tecnolog¨ªa para 2025), de litio-azufre o litio-aire, que utiliza la oxidaci¨®n del litio en el ¨¢nodo y la reducci¨®n de ox¨ªgeno en el c¨¢todo para inducir un flujo de corriente.

S¨ª hay coincidencia en que las bater¨ªas m¨¢s conocidas, baratas y maduras, aquellas que se utilizan para el arranque de los veh¨ªculos de combusti¨®n o como sistemas auxiliares ¡°no pueden mantener la posici¨®n de l¨ªder del mercado con la movilidad el¨¦ctrica en aumento¡±, seg¨²n el JCR.

Reciclaje

Otra de las claves para asegurar la disponibilidad futura de estos componentes b¨¢sicos de los dispositivos, veh¨ªculos y sistemas de almacenamiento es el reciclaje, que podr¨ªa en una d¨¦cada y media reducir las extracciones de litio, cobalto y n¨ªquel entre un 25% y un 35%, seg¨²n un informe del Instituto para el Futuro Sostenible de la Universidad de Tecnolog¨ªa de S¨ªdney (Australia). Mundialmente se reciclan 600.000 toneladas m¨¦tricas de bater¨ªas de iones de litio. Se espera que esta cantidad supere los 1,6 millones de toneladas m¨¦tricas en 2030.

Pero reprocesar estas bater¨ªas y los metales que contienen es dif¨ªcil y costoso. ¡°La bater¨ªa de un veh¨ªculo el¨¦ctrico es una pieza de tecnolog¨ªa muy compleja con muchos componentes, por lo que una instalaci¨®n para su reciclaje es muy complicada. A la larga, eso va a ser importante, pero a corto plazo tiene mucho camino por recorrer¡±, ¡°, afirma Michael McKibben, ge¨®logo de la Universidad de California, a Knowable.

Seg¨²n una investigaci¨®n recogida por Science direct, el costo del litio reciclado de las bater¨ªas es cinco veces m¨¢s alto que el litio extra¨ªdo de las minas. Del mismo modo, algunos procesos utilizados, como la fundici¨®n de los dispositivos para extraer los metales, consume mucha energ¨ªa, emite gases t¨®xicos y no puede recuperar el codiciado litio. Los investigadores estudian otros procedimientos m¨¢s eficaces.

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