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ENERGÍA. Los coches eléctricos necesitan baterías "verdes". ¿cómo producirá el mundo lo suficiente?

 

Las baterías para un automóvil eléctrico se ensamblan en la planta de producción de Audi en Bruselas. Fuente: Audi AG

Reducir el uso de metales escasos y reciclarlos será clave para la transición del mundo a los vehículos eléctricos.

La era del coche eléctrico está sobre nosotros. A principios de este año, el gigante automovilístico estadounidense General Motors anunció que su objetivo es dejar de vender modelos a gasolina y diésel para 2035. Audi, con sede en Alemania, planea dejar de producir tales vehículos para 2033. Muchas otras multinacionales de la automoción han publicado mapas de carreteras similares. De repente, el paso lento de los principales fabricantes de automóviles para electrificar sus flotas se está convirtiendo en una carrera.

La electrificación de la movilidad personal se está acelerando de una manera que ni siquiera sus defensores más fervientes podrían haber soñado hace unos años. En muchos países, los mandatos gubernamentales acelerarán el cambio. Pero incluso sin nuevas políticas o regulaciones, la mitad de las ventas mundiales de vehículos de pasajeros en 2035 serán eléctricas, según la consultora BloombergNEF (BNEF) en Londres.

Esta conversión industrial masiva marca un “cambio de un sistema energético intensivo en combustible a uno intensivo en materiales”, declaró la Agencia Internacional de Energía (AIE) el de mayoEn las próximas décadas, cientos de millones de vehículos saldrán a las carreteras, llevando enormes baterías en su interior. Y cada una de esas baterías contendrá decenas de kilogramos de materiales que aún no se han extraído.

Proyecciones de uso de  vehículos hacia el 2035.

Anticipando un mundo dominado por vehículos eléctricos, los científicos de materiales están trabajando en dos grandes desafíos. Una es cómo reducir los metales en las baterías que son escasos, costosos o problemáticos porque su extracción conlleva severos costos ambientales y sociales. Otra es mejorar el reciclaje de baterías, de modo que los metales valiosos de las baterías de automóviles gastadas se puedan reutilizar de manera eficiente. Además, el reciclaje jugará un papel clave en esta evolución hacia lo eléctrico.

Los fabricantes de baterías y automóviles ya están gastando miles de millones de dólares en reducir los costos de fabricación y reciclaje de baterías de vehículos eléctricos (EV), impulsados ​​en parte por los incentivos gubernamentales y la expectativa de las próximas regulaciones. Los financiadores de investigación nacionales también han fundado centros para estudiar mejores formas de fabricar y reciclar baterías. Debido a que, en la mayoría de los casos, todavía es menos costoso extraer metales que reciclarlos, un objetivo clave es desarrollar procesos para recuperar metales valiosos a un precio suficientemente bajo para competir con los recién extraídos. 

Futuro del litio

El primer desafío para los investigadores es reducir la cantidad de metales que deben extraerse para las baterías de vehículos eléctricos. Las cantidades varían según el tipo de batería y el modelo de vehículo, pero un paquete de baterías de iones de litio para un solo automóvil (de un tipo conocido como NMC532) podría contener alrededor de 8 kg de litio, 35 kg de níquel, 20 kg de manganeso y 14 kg de cobalto, según cifras del Laboratorio Nacional Argonne.

Los analistas no anticipan un alejamiento de las baterías de iones de litio en el corto plazo: su costo se ha desplomado tan drásticamente que es probable que sean la tecnología dominante en el futuro previsible. Ahora son 30 veces más baratas que cuando ingresaron al mercado por primera vez como baterías pequeñas y portátiles a principios de la década de 1990, incluso cuando su rendimiento ha mejorado. BNEF proyecta que el coste de un paquete de baterías para vehículos eléctricos de iones de litio caerá por debajo de los US $ 100 por kilovatio-hora para 2023, o aproximadamente un 20% más bajo que en la actualidad. 

Como resultado, los coches eléctricos, que siguen siendo más caros que los convencionales, deberían alcanzar la paridad de precios a mediados de la década de 2020. (Según algunas estimaciones, los coches eléctricos ya son más baratos que los vehículos de gasolina durante su vida útil, gracias a que son menos costosos de alimentar y mantener).

Fuente: MS Ziegler y JE Trancik Energy Environ. Sci. https://doi.org/grhx (2021).

Para producir electricidad, las baterías de iones de litio transportan iones de litio internamente desde una capa, llamada ánodo, a otra, el cátodo. Los dos están separados por otra capa más, el electrolito. Los cátodos son el principal factor limitante en el rendimiento de la batería, y es donde se encuentran los metales más valiosos.

El cátodo de una celda de batería de iones de litio típica es una capa delgada de sustancia viscosa que contiene cristales a microescala, que a menudo tienen una estructura similar a los minerales que se encuentran naturalmente en la corteza o el manto de la Tierra, como las olivinas o las espinelas. Los cristales emparejan oxígeno cargado negativamente con litio cargado positivamente y varios otros metales; en la mayoría de los autos eléctricos, una mezcla de níquel, manganeso y cobalto. La recarga de una batería extrae los iones de litio de estos cristales de óxido y los lleva a un ánodo a base de grafito donde se almacenan, intercalados entre capas de átomos de carbono.

Fuente: Adaptado de G. Harper et al. Natur e 575 , 75–86 (2019) y G. Offer et al. Nature 582 , 485–487 (2020).

El litio en sí no es escaso. Un informe de junio de BNEF  estimó que las reservas actuales del metal (21 millones de toneladas, según el Servicio Geológico de EE.UU.) son suficientes para llevar la conversión a vehículos eléctricos hasta mediados de siglo. Y las reservas son un concepto maleable, porque representan la cantidad de un recurso que se puede extraer económicamente a los precios actuales y dados la tecnología actual y los requisitos regulatorios. Para la mayoría de los materiales, si la demanda aumenta, las reservas también lo hacen eventualmente.

A medida que los automóviles se electrizan, el desafío radica en aumentar la producción de litio para satisfacer la demanda, que se espera crezca unas siete veces entre 2020 y 2030.

Esto podría resultar en una escasez temporal y cambios drásticos en los precios. Pero los contratiempos del mercado no cambiarán el panorama a largo plazo. A medida que se construye más capacidad de procesamiento, es probable que estas carencias se resuelvan por sí solas, opinan los expertos del Instituto de Investigación de Energía Eléctrica en Palo Alto, California.

Depósitos de sal en una planta de producción de litio en el Salar de Uyuni en Potosí, Bolivia. Fuente: Carlos Becerra / Bloomberg / Getty

El aumento de la extracción de litio conlleva sus propias preocupaciones ambientales: las formas actuales de extracción requieren grandes cantidades de energía (para el litio extraído de la roca) o agua (para la extracción de salmueras). Pero las técnicas más modernas que extraen litio del agua geotérmica, utilizando energía geotérmica para impulsar el proceso, se consideran más benignas. Y a pesar de este costo ambiental, la extracción de litio ayudará a desplazar la extracción destructiva de combustibles fósiles.

Los investigadores están más preocupados por el cobalto, que es el ingrediente más valioso de las baterías de vehículos eléctricos actuales. Dos tercios del suministro mundial se extraen en la República Democrática del Congo. Los activistas de derechos humanos han expresado su preocupación por las condiciones allí, en particular por el trabajo infantil y los daños a la salud de los trabajadores; al igual que otros metales pesados, el cobalto es tóxico si no se manipula correctamente. Se podrían explotar fuentes alternativas, como los 'nódulos' ricos en metales que se encuentran en el fondo del mar, pero presentan sus propios peligros ambientales. Y el níquel, otro componente importante de las baterías para vehículos eléctricos, también podría enfrentar escasez.

Gestión de los metales

Para abordar los problemas con las materias primas, varios laboratorios han estado experimentando con cátodos con bajo contenido de cobalto o sin cobalto. Pero los materiales del cátodo deben diseñarse cuidadosamente para que sus estructuras cristalinas no se rompan, incluso si se eliminan más de la mitad de los iones de litio durante la carga. Y abandonar el cobalto por completo a menudo reduce la densidad de energía de una batería, porque altera la estructura cristalina del cátodo y la fuerza con la que puede unir el litio.

Los investigadores han resuelto ese problema, al menos en el laboratorio, al demostrar que el cobalto se puede eliminar de los cátodos sin comprometer el rendimientoOtros laboratorios de todo el mundo están trabajando en baterías sin cobalto: en particular, el fabricante pionero de vehículos eléctricos Tesla, con sede en Palo Alto, California, ha dicho que planea eliminar el metal de sus baterías en los próximos años.

Sun Yang-Kook de la Universidad Hanyang en Seúl, Corea del Sur, es otro científico de materiales que ha logrado un rendimiento similar en cátodos sin cobalto. Sun dice que podrían quedar algunos problemas técnicos en la creación de los nuevos cátodos, porque el proceso se basa en el refinado de minerales ricos en níquel, que pueden requerir costosas atmósferas de oxígeno puro. Pero muchos investigadores ahora consideran que el problema del cobalto está esencialmente resuelto. 

Los trabajadores extraen cobalto cerca de una mina entre Lubumbashi y Kolwezi, en la República Democrática del Congo. Fuente: Federico Scoppa / AFP / Getty

El níquel, aunque no es tan caro como el cobalto, tampoco es barato. Los investigadores también quieren eliminarlo. Pero eliminar tanto el cobalto como el níquel requerirá cambiar a estructuras cristalinas radicalmente diferentes para los materiales del cátodo.

Un enfoque consiste en adoptar materiales llamados sales de rocas desordenadas. Reciben su nombre debido a su estructura cristalina cúbica, que es similar a la del cloruro de sodio, en la que el oxígeno juega el papel del cloro y una mezcla de metales pesados ​​reemplaza al sodio. Durante la última década, los científicos han demostrado que ciertas sales de roca ricas en litio permiten que el litio entre y salga fácilmente, una propiedad crucial para permitir la carga repetidaPero, a diferencia de los materiales catódicos convencionales, las sales de roca desordenadas no requieren cobalto o níquel para permanecer estables durante ese proceso. En particular, se pueden hacer con manganeso, que es barato y abundante.

Reciclar mejor

Si las baterías se fabrican sin cobalto, los investigadores se enfrentarán a una consecuencia no deseada. El metal es el principal factor que hace que el reciclaje de baterías sea económico, porque otros materiales, especialmente el litio, son actualmente más baratos de extraer que de reciclar.

En una planta de reciclaje típica, primero se trituran las baterías, lo que convierte las células en una mezcla en polvo de todos los materiales utilizados. Luego, esa mezcla se descompone en sus constituyentes elementales, ya sea licuándola en una fundición (pirometalurgia) o disolviéndola en ácido (hidrometalurgia). Finalmente, los metales se precipitan de la solución en forma de sales.

Una trituradora mecánica tritura los módulos de batería, que se muestran aquí en la planta de reciclaje de Duesenfeld en Alemania. Fuente: Wolfram Schroll / Duesenfeld

Los esfuerzos de investigación se han centrado en mejorar el proceso para hacer que el litio reciclado sea económicamente atractivo. La gran mayoría de las baterías de iones de litio se producen en China, Japón y Corea del Sur; en consecuencia, las capacidades de reciclaje están creciendo más rápidamente allí. Por ejemplo, Guangdong Brunp, con sede en Foshan, una subsidiaria de CATL, el mayor fabricante de celdas de iones de litio de China, puede reciclar 120.000 toneladas de baterías por año, según un portavoz. Eso es el equivalente a lo que se usaría en más de 200.000 automóviles, y la empresa puede recuperar la mayor parte del litio, cobalto y níquel. Las políticas gubernamentales están ayudando a fomentar esto: China ya tiene incentivos financieros y regulatorios para las empresas de baterías que obtienen materiales de empresas de reciclaje en lugar de importar los recién extraídos.

La Comisión Europea ha propuesto requisitos estrictos de reciclaje de baterías que podrían introducirse gradualmente a partir de 2023, aunque las perspectivas de que la UE desarrolle una industria de reciclaje nacional son inciertasMientras tanto, la administración del presidente de los EE.UU., Joe Biden, quiere gastar miles de millones de dólares para fomentar una industria nacional de fabricación de baterías para vehículos eléctricos y respaldar el reciclaje, pero aún no ha propuesto regulaciones más allá de la legislación existente que clasifique las baterías como desechos peligrosos que deben eliminarse de manera segura. Algunas empresas emergentes de América del Norte dicen que ya pueden recuperar la mayoría de los metales de una batería, incluido el litio, a costos que son competitivos con los de extraerlos, aunque los analistas dicen que, en esta etapa, la economía general solo es ventajosa debido a el cobalto.

Un enfoque más radical es reutilizar los cristales del cátodo, en lugar de descomponer su estructura, como lo hacen la hidrometalurgia y la pirometalurgia. ReCell, la colaboración de 15 millones de dólares administrada por Spangenberger, incluye tres laboratorios nacionales, tres universidades y numerosos actores de la industria. Está desarrollando técnicas que permitirán a los recicladores extraer los cristales catódicos y revenderlos. Un paso crucial, después de triturar las baterías, es separar los materiales del cátodo del resto mediante calor, productos químicos u otros métodos. 

Estas técnicas de reprocesamiento funcionan con una variedad de estructuras y composiciones cristalinas. Pero si un centro de reciclaje recibe un flujo de desechos que incluye muchos tipos de baterías, varios tipos de material de cátodo terminarán en el caldero de reciclaje. Esto podría complicar los esfuerzos para separar los diferentes tipos de cristales catódicos. Aunque los procesos desarrollados por ReCell pueden separar fácilmente el níquel, el manganeso y el cobalto de otros tipos de células, como las que usan fosfato de hierro y litio, por ejemplo, tendrán dificultades para separar dos tipos que contienen cobalto y níquel, pero en diferentes dimensiones. Por esta y otras razones, será crucial que las baterías lleven algún tipo de código de barras estandarizado que les diga a los recicladores lo que hay dentro.

Un trabajador de la empresa automovilística Renault se prepara para desmontar una batería. La firma dice que está reciclando todas las baterías de sus vehículos eléctricos, por el momento, solo un par de cientos al año. Fuente: Olivier Guerrin, Photothèque Veolia

Otro obstáculo potencial es que la química de los cátodos está en constante evolución. Los cátodos que los fabricantes utilizarán dentro de 10 a 15 años, al final del ciclo de vida de los automóviles actuales, podrían muy bien ser diferentes de los de hoy. La forma más eficaz de sacar los materiales podría ser que el fabricante recoja sus propias baterías al final del ciclo de vida. Y las baterías deben diseñarse desde cero de una manera que las haga más fáciles de desmontar. Según algunos científicos, el reciclaje será mucho más rentable si se salta la etapa de trituración y desarma las células directamente. 

Sube el volumen

Independientemente de los procesos de reciclaje que se conviertan en estándar, la escala ayudará. Aunque los informes de los medios tienden a describir la inminente avalancha de baterías gastadas como una crisis inminente, los analistas lo ven como una gran oportunidad. Una vez que millones de baterías grandes comiencen a llegar al final de su vida útil, las economías de escala entrarán en acción y harán que el reciclaje sea más eficiente, y el caso de negocios para ello más atractivo.

Una línea de producción de automóviles eléctricos en la fábrica de Nio en Hefei, China. Fuente: Qilai Shen / Bloomberg / Getty

Los analistas dicen que el ejemplo de las baterías de plomo-ácido, las que arrancan los coches de gasolina, da motivos para el optimismo. Debido a que el plomo es tóxico, esas baterías están clasificadas como desechos peligrosos y deben eliminarse de manera segura. Pero se ha desarrollado una industria eficiente para reciclarlos, a pesar de que el plomo es barato. Más del 98% de las baterías de plomo-ácido se recuperan y reciclan. El valor de una batería de plomo-ácido es incluso menor que el de una batería de iones de litio. Pero debido al volumen, tiene sentido reciclar de todos modos.

Podría tomar un tiempo hasta que el mercado de baterías de iones de litio alcance su tamaño completo, en parte porque estas baterías se han vuelto excepcionalmente duraderas: las baterías de automóviles actuales pueden durar hasta 20 años. En un automóvil eléctrico típico que se vende hoy en día, la batería sobrevivirá al vehículo en el que fue construido.

Eso significa que cuando los vehículos eléctricos viejos se envían a la chatarra, las baterías a menudo no se desechan ni se reciclan. En su lugar, se sacan y se reutilizan para aplicaciones menos exigentes, como el almacenamiento de energía estacionaria o la propulsión de barcos. Después de diez años de uso, una batería de automóvil como la del Nissan Leaf, que originalmente tenía 50 kilovatios-hora, habrá perdido como máximo el 20% de su capacidad.

Otro informe de mayo de la IEA, una organización conocida por sus pronósticos históricamente cautelosos, incluyó una hoja de ruta para lograr emisiones netas globales cero para mediados de siglo, que incluye la conversión al transporte eléctrico como piedra angular. La confianza en que esto se puede lograr refleja un creciente consenso entre los responsables políticos, los investigadores y los fabricantes de que los desafíos a la electrificación de los automóviles ahora se pueden resolver por completo, y que si queremos tener alguna esperanza de mantener el cambio climático a un nivel manejable, no hay tiempo que perder.

Pero algunos investigadores se quejan de que los vehículos eléctricos parecen estar sujetos a un estándar imposible en términos del impacto ambiental de sus baterías. Sería desafortunado y contraproducente descartar una buena solución insistiendo en una solución perfecta. 

Nature 596 , 336-339 (2021). doi: https://doi.org/10.1038/d41586-021-02222-1

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