¿Cuál será el material de las pilas del futuro?
Los vehículos eléctricos necesitan una fuente de energía. La energía específica, la duración, la seguridad y el precio de las baterías de alimentación son cruciales para el desarrollo de vehículos eléctricos puros. La batería de iones de litio tiene las ventajas de una alta energía específica, baja autodescarga y larga duración, y es actualmente la batería más práctica para vehículos eléctricos.
Tras más de 20 años de avances científicos y tecnológicos, el rendimiento de las baterías de litio ha mejorado enormemente. La densidad específica de energía de las baterías de litio casi se ha triplicado, pasando de menos de 200Wh/L a más de 700Wh/L. El coste de producción es aproximadamente 3% del original, y el coste de producción actual puede controlarse para que sea inferior a 150$/kWh.
Pero sigue estando por encima del objetivo previsto por el DOE de $100/kWh. La batería eléctrica actual con una potencia de 50-100KW.h pesa unos 600 kilogramos y tiene un volumen de unos 500L.
Dado que la densidad energética de las baterías de litio actuales se acerca al máximo teórico, la mejora de la densidad energética de las LIB se está ralentizando gradualmente. El rápido crecimiento del mercado de las baterías hace aún más inalcanzable la reducción del precio de las LIB.
Por el contrario, el aumento de la producción de baterías de litio casi ha cuadruplicado el precio del cobalto en los dos últimos años, de $22 a $81 el kilogramo.
El aumento de la demanda en el mercado y la rápida subida de los precios han animado a algunos productores a hacer recortes y violar las normas medioambientales y de seguridad. En China, por ejemplo, el polvo liberado por las minas de grafito ha dañado cultivos y contaminado pueblos y el agua potable.
En África, algunos propietarios de minas explotan el trabajo infantil, a menudo infringiendo la ley en pequeñas minas que carecen de equipos de protección como máscaras antigás y extraen el mineral a mano. Algunas empresas, como BMW, tienen políticas estrictas de supervisión de sus proveedores de cobalto, mientras que otros fabricantes de vehículos eléctricos no las tienen.
La solución más fácil a todo esto es desarrollar tipos de electrodos alternativos y baratos para metales de uso común como el hierro y el cobre. Según el profesor Gleb Yushin y sus colegas del Georgia Institute of Technology de Atlanta, los "materiales catódicos de tipo conversión" más prometedores son los fluoruros de cobre o hierro o el silicio.
Almacenan litio químicamente, pero la tecnología está aún en sus primeras fases. Para su aplicación práctica deben superarse problemas de estabilidad, velocidad de carga y fabricación.
El profesor Gleb Yushin hizo un llamamiento a científicos de materiales, ingenieros y organismos de financiación para que den prioridad a la investigación y el desarrollo de electrodos basados en elementos abundantes. De lo contrario, el despliegue de los vehículos eléctricos sufrirá un duro golpe dentro de una década.
El níquel y el cobalto son escasos y caros
En las baterías comerciales actuales para vehículos eléctricos, los iones de litio quedan atrapados en diminutos huecos de los cristales que forman los electrodos (se denominan electrodos intercalados). El electrodo negativo suele ser de grafito y el positivo, de óxidos metálicos.
Entre los materiales catódicos ternarios comunes se encuentran el óxido de níquel cobalto aluminio (NCA, como LiNi0,8Co0,15Al0,05O2) o el óxido de níquel cobalto manganeso (NCM, como LiNi0,6Co0,2Mn0,2O2 o LiNi0,8Co0,1Mn0,1O2) .
Un cátodo de batería de ión-litio de 100 kg suele requerir entre 6 y 12 kg de cobalto y entre 36 y 48 kg de níquel. Aunque el cobalto suele ser un subproducto de la minería del cobre y el níquel, también requiere complejos procesos para separarlo de otros metales. La mayoría de los yacimientos sólo contienen 0,003% de cobalto metálico, y pocos yacimientos de cobalto están lo suficientemente concentrados como para que merezca la pena explotarlos.
Así, aunque de las 1.015 toneladas de cobalto almacenadas en la Tierra, sólo 107 toneladas pueden utilizarse. Del mismo modo, sólo 108 toneladas de las 1.015 toneladas de reservas mundiales de níquel tienen valor comercial minero.
En la actualidad, los minerales ricos en cobalto solo se encuentran en unos pocos lugares. El Congo africano (RDC) proporcionó la mitad (56%) de las 148.000 toneladas de cobalto del mundo en 2015. La mayor parte se destina a China, que tiene existencias de 200.000 a 400.000 toneladas de cobalto.
Australia posee 14% de las reservas mundiales de cobalto, que ya pueden extraerse de los fondos marinos, pero sus costes de extracción, ecológicos y económicos son demasiado elevados para ser explotados y utilizados en su totalidad.
Del mismo modo, la producción de níquel está dominada por una docena de países. En 2017, Indonesia, Filipinas, Canadá, Nueva Caledonia, Rusia y Australia suministraron conjuntamente 72% de los 2,1 millones de toneladas de mineral del mundo.
Pero menos de una décima parte se destina a las baterías de litio; el resto se destina sobre todo al acero y la electrónica. Aunque la extracción del níquel es menos costosa que la del cobalto, el aumento de la demanda ha disparado su precio en torno a un 50% desde 2015, pasando de $9 a $14 el kilogramo.
Tanto el cobalto como el níquel han experimentado subidas y bajadas repentinas de precios. Por ejemplo, las interrupciones del suministro en Australia, el aumento de la demanda de acero en China y la especulación de los gestores de fondos de cobertura hicieron que los precios del níquel se quintuplicaran, mientras que los del cobalto se triplicaron en 2008-2009.
Se espera escasez de cobalto y níquel
De seguir así, el cobalto y el níquel tendrán un déficit de suministro en 20 años. A medida que aumente la demanda de baterías de litio, el cobalto escaseará en 2030 y el níquel podría agotarse en 2037. Aunque podemos extraer mineral de menor calidad, los mayores costes de procesamiento harán subir los precios del cobalto y el níquel.
Los fabricantes de vehículos eléctricos y el Gobierno esperan que en 2025 se produzcan entre 10 y 20 millones de vehículos eléctricos al año. Si la batería de cada coche requiere 10 kg de cobalto, en 2025 los vehículos eléctricos por sí solos necesitarán entre 100.000 y 200.000 toneladas de cobalto al año, que es actualmente la mayor parte de la producción mundial. Del mismo modo, se necesitan entre 400.000 y 800.000 toneladas de níquel al año, lo que equivale a 20-40% de todos los metales en la actualidad.
Cuando camiones, autobuses, aviones y barcos utilizan baterías eléctricas, se necesitan más baterías. En 2050 se necesitarán entre 500.000 y 800.000 toneladas de cobalto para producir entre 50 y 80 millones de vehículos eléctricos al año. A partir de 2030, esto superará con creces la capacidad minera actual.
Asimismo, para 2050, la demanda de níquel se multiplicará por 2-3. La escasez de níquel será evidente a mediados de 2030, y el reciclaje no podrá reponer los suministros. Porque la vida útil de la batería de iones de litio es de 15-20 años, que es 3 veces la de la batería de plomo-ácido de 5-7 años. Una vez que la oferta alcance su punto máximo, estimamos que el precio de las baterías para VE podría aumentar más de $1.000.
Cuál es la salida de los materiales de las pilas en el futuro
La respuesta es utilizar metales convencionales (hierro, cobre) para producir materiales para cátodos de baterías de iones de litio. El hierro, por ejemplo, no sólo es barato (6 céntimos/kg), sino también abundante (76.000 millones de toneladas). Dado que los materiales tradicionales ricos en hierro (LiFePO4) y manganeso (LiMnO2 o LiMn2O4) presentan diversos inconvenientes de uso, la alternativa más prometedora es el uso de "materiales catódicos de sustitución" en los electrodos.
El fluoruro de cobre/hierro y el silicio, que reaccionan químicamente con los iones de litio para permitir su almacenamiento, pueden almacenar seis veces más energía que los cátodos estándar.
Mecanismo de conversión del material catódico: Su reacción de conversión electroquímica es un novedoso mecanismo de almacenamiento de litio diferente de la reacción tradicional de intercalación/extracción de iones de litio.
En el proceso de reacción se producen múltiples transferencias de electrones, por lo que los materiales de electrodos basados en el mecanismo de reacción de conversión electroquímica tienen una capacidad específica teórica muy elevada. Dichos materiales de electrodo están compuestos principalmente por óxidos de metales de transición, sulfuros o fluoruros.
Entre ellos, los fluoruros de metales de transición tienen un mayor potencial de trabajo debido a sus fuertes enlaces iónicos, y son más adecuados como materiales catódicos para baterías de iones de litio. Entre ellos, los materiales a base de silicio son muy adecuados para el emparejamiento.
Una vez que estos dos materiales se utilicen con éxito, las baterías que alimentan los vehículos eléctricos podrían reducirse a la mitad, mientras que el coste, el peso y el volumen podrían reducirse a la mitad o más.
Pero para lograr este objetivo, los investigadores de baterías necesitan desarrollar materiales fluorados de alto rendimiento y electrolitos más eficientes. Los ingenieros tienen que trabajar duro para desarrollar equipos y procesos que utilicen estos materiales.
Además, las baterías preparadas a partir de materiales de conversión presentan algunas desventajas, como baja conductividad, bajo rendimiento y graves reacciones secundarias entre los materiales de conversión y el electrolito.
Las películas SEI positiva y negativa son más gruesas y tienen histéresis de tensión, y los electrodos se expanden y contraen seriamente tras la carga.
Introducción a los materiales alternativos
En comparación con el electrodo de material de intercalación, la ruptura y la formación de enlaces se producirán antes y después de la combinación del material de conversión y el Li durante el proceso de carga y descarga. Después de que el Li penetre en el FeF2, una vez roto el enlace Fe-F, el Li y el F vuelven a unirse para formar LiF (Tipo A).
La información contenida en cada elemento se muestra en el ejemplo de la figura:
La línea 1 representa el tipo de elemento.
La línea 2 representa la abundancia del elemento en la corteza.
La línea 3 representa el precio medio del metal o elemento en los últimos cinco años.
Las líneas 4 y 5 representan el impacto del elemento sobre el medio ambiente y los seres humanos, respectivamente.
Conclusión
Los recursos de cobalto y níquel para las baterías de litio escasearán hacia 2030, y el desarrollo de materiales ternarios será insostenible.
En el futuro, el nuevo material catódico deberá ser un material de alto potencial superior al actual material catódico de intercalación.
La adaptación de los materiales basados en el silicio a los nuevos materiales catódicos no sólo debería mejorar su densidad energética, sino también reducir en gran medida el coste de las baterías de iones de litio.
