¿Cuál es la salida para los materiales de las pilas 10 años después?

Argumentos básicos para los materiales de las pilas

Los recursos de cobalto y níquel utilizados para alimentar las baterías de litio escasearán en torno a 2030, y el desarrollo de materiales ternarios en los materiales de las baterías será inevitablemente insostenible.

Los futuros nuevos materiales catódicos de las baterías deben ser mejores que los actuales materiales catódicos integrados.

La adaptación de materiales basados en el silicio con nuevos materiales catódicos no sólo debería mejorar su densidad energética, sino también reducir enormemente el coste de las baterías de iones de litio.

Los vehículos eléctricos necesitan fuentes de energía. La energía específica, la vida útil, la seguridad y el precio de las baterías de alimentación son cruciales para el desarrollo de vehículos eléctricos puros, y la batería de iones de litio tiene las ventajas de una alta energía específica, baja autodescarga y larga vida útil, que es la batería más práctica para vehículos eléctricos.

Tras más de 20 años de avances tecnológicos, el rendimiento de las LIB ha mejorado considerablemente.

La densidad energética específica de las baterías de litio se ha multiplicado casi por tres, pasando de menos de 200Wh / L a más de 700Wh / L. El coste de producción es de unos 3% del original, y el coste de producción actual controlable es inferior a 150$ / kWh.

Pero sigue estando por encima del objetivo previsto por el DOE de 100$ / kWh. La batería actual de 50-100KW.h pesa unos 600 kg, y su volumen es también de unos 500 L.

Dado que la densidad energética de las baterías de litio se acerca ya al máximo teórico, la de las LIB se está ralentizando gradualmente. El rápido crecimiento del mercado de las baterías hace que los precios de corte de las LIB sean aún más inalcanzables.

Por el contrario, el aumento de la producción de baterías de iones de litio en los dos últimos años ha multiplicado casi por dos el precio del cobalto utilizado como material para baterías, que oscila entre $22 y $81 por kilogramo.

La creciente demanda del mercado y el rápido aumento de los precios han animado a algunos productores a recortar gastos e infringir la normativa medioambiental 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 mineros explotan a niños, a menudo infringiendo la ley en pequeñas minas que carecen de máscaras antigás y otros equipos de protección.

Algunas empresas, como BMW, han establecido políticas estrictas para presionar a sus proveedores de cobalto, mientras que otros fabricantes de coches eléctricos no lo hacen. La solución más sencilla para los materiales de las baterías es desarrollar electrodos de conversión baratos para metales de uso común, como el hierro y el cobre.

Los materiales catódicos de tipo conversión más prometedores en materiales para baterías, como el fluoruro o el silicio de cobre o hierro. Almacenan litio químicamente, pero la tecnología está aún en sus primeras fases.

Para las aplicaciones prácticas deben superarse los problemas de estabilidad, velocidad de carga y fabricación.

Los expertos piden a los científicos de materiales, ingenieros y organismos de financiación que den prioridad a la investigación y el desarrollo de electrodos basados en elementos ricos. De lo contrario, la promoción de los coches 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, que se utilizan como materiales de la batería, se unen en diminutos huecos en los cristales que forman los electrodos (se denominan electrodos intercalados). El ánodo suele ser de grafito y el electrodo catódico, de óxidos metálicos.

Entre los materiales catódicos ternarios comunes que se utilizan como materiales de baterías se incluyen el óxido de níquel-cobalto-aluminio (NCA, por ejemplo LiNi0,8Co0,15Al0,05O2) o el óxido de níquel-cobalto-manganeso (NCM, por ejemplo LiNi0,6Co0,2Mn0,2O2 o LiNi0,8Co0,1Mn0,1O2).

Los 100 kg de materiales para baterías de iones de litio que se utilizan como electrodo catódico suelen requerir de 6 a 12 k g de cobalto y de 36 a 48 k g de níquel.

En los materiales para baterías, el cobalto, normalmente un subproducto de la minería del cobre y el níquel, también requiere complejos procesos para separarlo de otros metales. La mayoría de los yacimientos contienen sólo 0,003% de cobalto metálico, y pocos yacimientos de cobalto están tan concentrados que merezca la pena explotarlos.

Así, aunque de las 1.015 toneladas de cobalto almacenadas en la Tierra, sólo pueden utilizarse 107 toneladas. Del mismo modo, de las 1.015 toneladas de reservas mundiales de níquel, sólo 108 toneladas están disponibles comercialmente para materiales de baterías.

Como materiales para baterías, los minerales ricos en cobalto se encuentran ahora solo en unos pocos lugares. El Congo africano (RDC) proporciona la mitad del total mundial (56%) de las 148.000 toneladas de cobalto en 2015.

La mayor parte se destina a China, que posee entre 200.000 y 400.000 toneladas de reservas de cobalto. Australia posee 14% de las reservas mundiales de cobalto y ya se puede extraer de los fondos marinos, pero sus costes, ecológicos y económicos, son demasiado elevados para explotarlo plenamente.

Del mismo modo, la producción de níquel está dominada por más de 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 utiliza en baterías de litio como material para pilas; el resto se destina principalmente al acero y la electrónica.

Aunque el coste de extracción del níquel es inferior al del cobalto, el crecimiento de la demanda ha elevado el precio del níquel en unos 50%, de $9 a $14 por kilogramo desde 2015.

En los materiales para baterías, tanto el cobalto como el níquel han experimentado subidas y desplomes repentinos de precios. Por ejemplo, la interrupción del suministro en Australia, el aumento de la demanda china de acero y la especulación de los gestores de fondos de cobertura triplicaron los precios del níquel, mientras que el cobalto se triplicó en 2008-2009.

Se espera escasez de cobalto y níquel

De seguir así, el cobalto y el níquel tendrán un déficit de suministro dentro de 20 años. Como la demanda de baterías de litio sigue creciendo, se prevé que el cobalto disminuya en 2030 y que el níquel se agote en 2037. Aunque se puede extraer mineral de mala calidad, el aumento de los costes de transformación hará subir los precios del cobalto y el níquel.

Los fabricantes de coches eléctricos y el Gobierno esperan producir entre 10 y 20 millones de vehículos eléctricos al año de aquí a 2025. Si cada batería de coche necesita 10 kg de cobalto como material de batería, sólo los coches eléctricos necesitarán entre 100.000 y 200.000 toneladas de cobalto al año en 2025, la mayor parte de la producción mundial actual.

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 actuales. Se necesitarán más baterías cuando los camiones, autobuses, aviones, barcos y batería de moto.

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, esta cifra superará con creces la capacidad minera actual.

Asimismo, de aquí a 2050, la demanda de níquel se multiplicará por 2-3. La escasez de níquel será patente a mediados de 2030, y el reciclado no podrá reponer los suministros.

Porque la vida útil de la batería de iones de litio es de 15-20 años, es decir, 3 veces más que la de la batería de plomo-ácido, que es de 5-7 años. Una vez que la oferta alcance su punto máximo, el precio estimado de las baterías para coches eléctricos podría aumentar más de $1.000.

Cuál es la salida para el futuro de los materiales de las baterías

La respuesta es utilizar metales convencionales (hierro, cobre) para producir materiales de baterías de iones de litio para el electrodo catódico. El hierro, por ejemplo, es barato (6 céntimos/kg) y abundante (76.000 millones de toneladas).

Dado que tanto los materiales tradicionales ricos en hierro (LiFePO4) como los ricos en manganeso (LiMnO2 o LiMn2O4), utilizados como materiales de batería, presentan diversos defectos de uso, la alternativa más prometedora es utilizar un "material de cátodo de sustitución" en el electrodo.

Si desea saber más sobre los materiales catódicos, lea el Las 5 principales empresas de material catódico de fosfato de hierro y litio en China en 2022 en nuestro sitio web. El cobre, el fluoruro de hierro y el silicio pueden reaccionar químicamente con los iones de litio para almacenarlos, y pueden almacenar seis veces más energía que el electrodo catódico estándar.

Mecanismo de conversión del material catódico: Su reacción de conversión electroquímica es un nuevo 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 los electrodos de las pilas basados en el mecanismo de reacción de conversión electroquímica tienen una capacidad específica teórica muy elevada.

Este tipo de material de electrodo consiste principalmente en óxido, sulfuro o fluoruro de metal de transición, entre los cuales el fluoruro de metal de transición tiene un alto potencial de trabajo debido a su fuerte enlace iónico.

Este tipo de materiales de batería es más adecuado para el material del cátodo de la batería de iones de litio. Entre ellos, los materiales a base de silicio son muy adecuados para el emparejamiento.

Una vez que estos dos materiales para baterías 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 fabricadas con materiales de conversión como materiales de batería presentan algunas deficiencias, como una baja conductividad y un bajo rendimiento de la tasa; reacciones secundarias graves entre el material de conversión y el electrolito; las películas SEI del cátodo y el ánodo son más gruesas y presentan histéresis de tensión. La expansión y contracción del electrodo es más grave después de la carga.