No hay material para tanta batería

En un entorno doméstico o laboral habitual hay una decena de baterías. Móviles, relojes, portátiles, tabletas, consolas, electrodomésticos, herramientas, altavoces, bicicletas, patinetes… Todos los dispositivos se fundamentan en la misma tecnología: pilas de celdas de iones de litio. Sin embargo, estas baterías son caras, tienen una limitada capacidad y pierden eficacia con el tiempo. Las razones de su carestía se deben a que las reservas de su principal elemento químico son insuficientes y media docena de países (China, Australia, Congo, Chile, Suráfrica e Indonesia) acaparan la producción de este y otros recursos necesarios, como el cobalto, vanadio, molibdeno, níquel, cobre, grafito o manganeso, entre otros. La irrupción del coche eléctrico y las necesidades de almacenaje de energía generada por fuentes renovables intermitentes agravan el problema. No hay material para tanta batería. Un estudio del Centro Común de Investigación (JRC, por sus siglas en inglés) de la Comisión Europea analiza las posibles soluciones.

Según el Fondo Monetario Internacional, el aumento del consumo hasta 2050 hará 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 investigación vasco CIC energiGUNE, referente europeo en baterías, advierte: “Es necesario tomar decisiones conjuntas y rápidas”.

Al uso doméstico y laboral habitual se suman las políticas de cero emisiones. En este sentido, en siete años habrá 50 millones de vehículos eléctricos en Europa y, para 2050, casi todas las unidades de los 270 millones que conformarán el parque automovilístico de la UE deben serlo.

La movilidad eléctrica es el principal elemento impulsor de la demanda de baterías, pero no el único. “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]”, advierte Johan Söderbom, responsable de redes inteligentes (smartgrids) y almacenamiento de Innoenergy en el reciente encuentro BatSum23. Las previsiones de la UE es que los vehículos precisarán en dos décadas de 1,5 teravatios-hora (un billón y medio de vatios) y las baterías estacionarias, entre 80 y 160 gigavatios-hora.

La advertencia de Söderbom la corrobora el JRC, que advierte: “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”. La solución, según el centro de investigaciones europeo es invertir en el desarrollo y producción de baterías como las de litio-ferrofosfato (LFP), las de sodio (Na-ion) o las de flujo de reacción de reducción-oxidación (redox-RFB) sin vanadio.

Estos desarrollos buscan reducir la dependencia de las materias primas críticas de los sistemas actuales, ya que más del 80 % del litio mundial viene de Chile, Australia y China, mientras que más del 60 % del cobalto llega de la República Democrática del Congo. Pero no son 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 Liubliana (Eslovenia) y miembro de la directiva de la iniciativa europea Battery 2030+.

El informe del Centro Común de Investigación señala que las tecnologías basadas en iones de litio aún mantendrán su hegemonía en el mercado en los próximos años y señala los siguientes desarrollos, con su ventajas e inconvenientes, así como las alternativas.

Litio-ferrofosfato (LFP). Es una tecnología más barata, duradera, segura y no contiene cobalto y níquel, que son materiales caros. Gana terreno en aplicaciones de movilidad y estacionarias y aumentará en importancia en el futuro, aunque su densidad energética (relación entre la capacidad de almacenamiento y el volumen que ocupa) es menor en comparación con las de combinación de níquel, manganeso y cobalto (NMC) y níquel, cobalto y aluminio (NCA). Su gran desventaja es su escaso valor en la cadena de reciclaje y las limitadas capacidades de fabricación en la UE.

Níquel, manganeso y cobalto (NMC). Es una batería cara que se ha ido modificando para que el último elemento no sea tan relevante. Su principal ventaja es su alto valor para el reciclaje, pero también está poco presente en la cadena de producción europea. Las variantes con menos cobalto y más níquel son muy utilizadas en la industria de la automoción.

Níquel, cobalto y aluminio (NCA). Este desarrollo, muy utilizado por Tesla, compite con las tecnologías anteriores en aplicaciones para vehículos eléctricos, pero arroja una menor duración que las de NMC y menos estabilidad térmica. La producción 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 energética, pero duran más, son seguras, de alta capacidad de carga rápida y efectivas en condiciones de altas temperaturas o para tareas que precisan mucho tiempo sin recarga. Europa sí las produce.

Alternativas

Ion-sodio. Para Johan Söderbom, una de las claves para prescindir del litio es el “prometedor desarrollo de la tecnología ion-sodio”. Según el JRC, esta es más barata y segura y no precisa de materias primas críticas. 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 energética, potencia, vida útil y capacidad de almacenamiento, por los que es donde se están centrando muchas investigaciones.

Redox. Las baterías de flujo redox (reacción de reducción-oxidación), en su mayoría, se fundamentan en el vanadio disuelto en ácido sulfúrico, corrosivo y tóxico. “El vanadio tiene muchas fortalezas: es barato y estable. Pero si tienes una fuga de una de estas baterías, eso no es agradable. Se deben diseñar los tanques para que sean extremadamente duraderos”, explica Eduardo Sánchez, investigador del CIC energiGUNE a la revista científica europea Horizon.

Los componentes principales de esta tecnología son dos líquidos, uno cargado positivamente y otro cargado negativamente, que se bombean, cuando la batería está en uso, a una cámara donde se separan por una membrana permeable e intercambian electrones para crear una corriente. Las investigaciones actuales se orientan a encontrar combinaciones químicas con materiales baratos, seguros y no críticos, como soluciones salinas en agua que almacenen iones a base de carbono, que podrían ser una solución para el almacenamiento estacional de energía.

Estado sólido. Las baterías tradicionales de iones de litio tienen tres componentes claves: dos electrodos sólidos (ánodo y cátodo) y uno líquido (electrolito). Cuando la pila está en uso, los electrones fluyen desde el ánodo al cátodo para alimentar cualquier dispositivo. Los iones de litio positivos se difunden a través del electrolito, atraídos por la carga negativa del cátodo. Cuando la batería se está cargando, el proceso se desarrolla a la inversa. El proyecto europeo ASTRABAT pretende sustituir este electrolito líquido por uno sólido (como material cerámico) o un gel para ganar en densidad de energía, seguridad y agilidad en la fabricación.

Sin embargo, Sophie Mailley, coordinadora de este proyecto en Francia cree que “aún hace falta innovación en este campo”. “Las baterías de estado sólido basadas en litio ya existen, pero usan un gel como electrolito y solo funcionan bien a temperaturas de aproximadamente 60 °C, lo que significa que no son adecuadas para muchas aplicaciones”, explica.

Otras baterías sobre las que se investiga son las de iones de litio con ánodos ricos en silicio (Mercedes-Benz incorporará este material a partir de 2025), las de metal-litio (Volkswagen apuesta por esta tecnología para 2025), de litio-azufre o litio-aire, que utiliza la oxidación del litio en el ánodo y la reducción de oxígeno en el cátodo para inducir un flujo de corriente.

Sí hay coincidencia en que las baterías más conocidas, baratas y maduras, aquellas que se utilizan para el arranque de los vehículos de combustión o como sistemas auxiliares “no pueden mantener la posición de líder del mercado con la movilidad eléctrica en aumento”, según el JCR.

Reciclaje

Otra de las claves para asegurar la disponibilidad futura de estos componentes básicos de los dispositivos, vehículos y sistemas de almacenamiento es el reciclaje, que podría en una década y media reducir las extracciones de litio, cobalto y níquel entre un 25% y un 35%, según un informe del Instituto para el Futuro Sostenible de la Universidad de Tecnología de Sídney (Australia). Mundialmente se reciclan 600.000 toneladas métricas de baterías de iones de litio. Se espera que esta cantidad supere los 1,6 millones de toneladas métricas en 2030.

Pero reprocesar estas baterías y los metales que contienen es difícil y costoso. “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”, “, afirma Michael McKibben, geólogo de la Universidad de California, a Knowable.

Según una investigación recogida por Science direct, el costo del litio reciclado de las baterías es cinco veces más alto que el litio extraído de las minas. Del mismo modo, algunos procesos utilizados, como la fundición de los dispositivos para extraer los metales, consume mucha energía, emite gases tóxicos y no puede recuperar el codiciado litio. Los investigadores estudian otros procedimientos más eficaces.

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