La demanda mundial de baterías está agotando el suministro de materias primas

Un hogar o lugar de trabajo típico tiene alrededor de 10 baterías: teléfonos móviles, relojes, computadoras portátiles, tabletas, consolas, electrodomésticos, herramientas, parlantes, bicicletas, scooters y más. Y todos utilizan la misma tecnología de iones de litio para la alimentación. La desventaja de estas baterías es que son caras, tienen una capacidad limitada y se vuelven menos eficientes con el tiempo. El alto costo se debe a las limitadas reservas mundiales de sus elementos químicos, que están monopolizadas por media docena de países mineros (China, Australia, Congo, Chile, Sudáfrica e Indonesia). Los principales ingredientes de estas baterías son cobalto, vanadio, molibdeno, níquel, cobre, grafito y manganeso, entre otros. El aumento de la producción de vehículos eléctricos y la necesidad de almacenar energía generada por fuentes renovables intermitentes han exacerbado el problema. Un estudio realizado por el Centro Común de Investigación (JRC) de la Comisión Europea concluyó que simplemente no hay suficiente materia prima para tantas baterías.

Según el Fondo Monetario Internacional (FMI), el aumento del consumo hasta 2050 impulsará la demanda de materias primas para baterías entre un 30 % y un 40 % por encima de las reservas disponibles. CIC energiGUNE, un centro de investigación para el almacenamiento de energía electroquímica y térmica financiado por el gobierno regional vasco en España, advierte: "Se necesitan decisiones oportunas y colaborativas".

Las políticas de cero emisiones también están impulsando la demanda. En los próximos siete años, se espera que 50 millones de vehículos eléctricos (EV) lleguen a las carreteras europeas, y casi todos los 270 millones de vehículos que se esperan en las carreteras de la UE deben ser eléctricos para 2050.

Los vehículos eléctricos pueden ser el principal impulsor de la demanda de baterías, pero hay otros. Johan Söderbom, jefe de redes inteligentes y almacenamiento de Innoenergy, dijo en la reciente reunión de BatSum23: "Actualmente, la electromovilidad encabeza el mercado de las baterías, pero no se debe subestimar la demanda de energía estacionaria [de fuentes de energía renovables intermitentes, como la eólica y la solar]. " La UE pronostica que la demanda de vehículos eléctricos alcanzará los 1,5 teravatios-hora (1,5 billones de vatios) en dos décadas, y las baterías estacionarias deben producir entre 80 y 160 gigavatios-hora.

"El coste de los sistemas estacionarios es mucho mayor por kilovatio-hora de energía almacenada que el de las baterías de los vehículos eléctricos debido a los costes adicionales de los elementos del sistema", afirma el informe del JRC. La solución es invertir en el desarrollo de baterías como las de ferrofosfato de litio (LFP), de sodio (Na-ion) y de flujo redox de vanadio (redox-RFB).

Estas nuevas tecnologías de baterías reducirán la dependencia de materias primas críticas. Más del 80% del litio del mundo proviene de Chile, Australia y China, y la República Democrática del Congo suministra más del 60% del cobalto del mundo. Pero esta no es la única preocupación. "Necesitamos hacer que las baterías sean más inteligentes. Para eso, necesitamos mejorar aspectos particulares como los sensores de las celdas y las capacidades de autorreparación", dijo Robert Dominko, investigador de la Universidad de Ljubljana (Eslovenia) y miembro de la junta directiva de Europe's Battery. iniciativa 2030+.

El informe del JRC señala que las tecnologías basadas en iones de litio prevalecerán en el mercado en el futuro previsible y detalla las ventajas y desventajas de las alternativas viables.

Ferrofosfato de litio (LFP). Esta tecnología es más barata, más duradera, más segura y no contiene cobalto ni níquel, que son caros. Está ganando terreno en aplicaciones móviles y estacionarias y se convertirá en una fuente de energía más importante. Sin embargo, su densidad de energía (relación entre la capacidad de almacenamiento y el volumen) es menor en comparación con las baterías de níquel-manganeso-cobalto (NMC) y níquel-cobalto-aluminio (NCA). Su principal desventaja es su bajo valor en la cadena de reciclaje y su limitada capacidad de fabricación en la UE.

Níquel-manganeso-cobalto (NMC). Esta es una batería costosa que usa menos cobalto. Su principal ventaja es su alto valor de reciclaje, pero no ocupa un lugar destacado en la cadena de producción europea. Las baterías que usan menos cobalto y más níquel se usan ampliamente en la industria automotriz.

Níquel, cobalto y aluminio (NCA). Tesla utiliza ampliamente esta batería, que compite con las tecnologías LFP y NMC en aplicaciones de vehículos eléctricos. Tiene una vida más corta que NMC y menos estabilidad térmica. La producción europea es mínima, casi nula, a pesar de su alto valor de reciclaje.

Óxido de litio y titanio (LTO). Estas baterías tienen elementos costosos y una baja densidad de energía. Pero son seguros, duran más, se cargan más rápido y son efectivos en condiciones de alta temperatura. Europa produce actualmente baterías LTO.

Ion sodio. Johan Söderbom cree que la prometedora tecnología de iones de sodio será vital para reducir el uso de iones de litio. Según el JRC, es más barato, más seguro y no utiliza materias primas críticas. Sin embargo, tienen un rendimiento menor que las tecnologías convencionales de iones de litio. Gran parte de la investigación se centra ahora en las baterías de azufre de sodio, que tienen una densidad de energía y una potencia de salida más altas, una vida útil más larga y una mayor capacidad de almacenamiento.

redox. Las baterías de flujo redox de vanadio utilizan principalmente vanadio disuelto en ácido sulfúrico, que es corrosivo y tóxico. “El vanadio tiene muchos aspectos positivos, es barato y estable. Pero una fuga de una de estas baterías es desagradable. Hay que diseñar contenedores extremadamente duraderos para ellas”, dijo el investigador de CIC energiGUNE Eduardo Sánchez en una entrevista con Horizon.

Los componentes principales de las baterías redox-RFB son dos líquidos, uno con carga positiva y otro con carga negativa. Cuando la batería está en uso, los líquidos se bombean a una cámara separada por una membrana permeable. Los líquidos con cargas opuestas intercambian electrones y crean una corriente eléctrica. Se están realizando más investigaciones para encontrar combinaciones químicas con materiales económicos, seguros y no críticos, como soluciones salinas en agua que almacenan iones a base de carbono, una solución potencial para el almacenamiento de energía estacional.

De Estado sólido. Las baterías tradicionales de iones de litio tienen tres componentes clave: dos electrodos sólidos (ánodo y cátodo) y un electrodo líquido (electrolito). Cuando la batería está en uso, los electrones producen energía al fluir del ánodo al cátodo. 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 invierte. El proyecto europeo ASTRABAT pretende sustituir este electrolito líquido por un electrolito sólido (como material cerámico) o un gel para conseguir una mayor densidad energética, seguridad y agilidad de fabricación.

La coordinadora de ASTRABAT, Sophie Mailley, dice: "Todavía hay una falta de innovación en este campo... Ya existen baterías de estado sólido a base de litio, pero usan un gel como electrolito y solo funcionan bien a temperaturas de alrededor de 60 °C [140 °F] , que no es adecuado para muchas aplicaciones".

Otras baterías en desarrollo incluyen las baterías de iones de litio con ánodos ricos en silicio que Mercedes-Benz comenzará a usar en 2025, las baterías de metal de litio por las que apuesta Volkswagen y las baterías de litio-azufre o litio-aire que usan oxidación de litio. en el ánodo y reducción de oxígeno en el cátodo para generar electricidad.

Todo este esfuerzo en I+D se basa en el convencimiento de que las baterías más conocidas, baratas y maduras que se utilizan hoy en día para el arranque de vehículos de combustión o como sistemas auxiliares “no pueden mantener su posición de liderazgo en el mercado con la movilidad eléctrica en auge”, según el informe de JCR.

Otro aspecto crítico para asegurar la disponibilidad futura de las baterías es el reciclaje, que podría reducir la extracción de litio, cobalto y níquel en un 25-35% en 15 años, según un informe del Instituto para Futuros Sostenibles de la Universidad Tecnológica de Sydney (Australia). . En todo el mundo, actualmente se reciclan 600.000 toneladas métricas de baterías de iones de litio, que se espera que superen los 1,6 millones de toneladas métricas para 2030.

Pero reciclar baterías y sus metales es difícil y costoso. "La batería de un vehículo eléctrico es una pieza de tecnología muy compleja con muchos componentes diferentes, por lo que una instalación de reciclaje será muy complicada. A la larga, eso será importante, pero a corto plazo, tiene mucho camino por recorrer", dijo Michael McKibben, geólogo de la Universidad de California, en una entrevista con Knowable.

Según un estudio publicado en ScienceDirect, el costo de reciclar el litio de las baterías es cinco veces mayor que el del litio extraído de las minas. Además, algunos procesos de reciclaje, como la fundición de los dispositivos para la extracción de metales, consumen mucha energía, emiten gases tóxicos y no logran recuperar el codiciado litio. Se están realizando investigaciones sobre procesos más eficientes.

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