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¿Cuál el estado de situación de las baterías de litio?

¿Qué tipos de baterías de ion litio existen?

Existen diferentes tipos de baterías que usan litio. El principal uso del litio es a nivel del cátodo de la batería, pero también están en desarrollo baterías que usan litio en los ánodos y/o el electrolito de la batería (ver componentes de la batería).

¿Cómo evaluar una batería de litio?

Los diferentes tipos de baterías de ion litio se diferencian por la combinación del litio con otros minerales (cobalto, manganeso, fósforo, hierro, níquel, aluminio). Cada uno de estos tipos de baterías de ion litio tiene diferentes ventajas y desventajas a nivel de:

  • La energía que puede almacenar una batería por unidad de volumen (Wh/l) – Densidad de Energía.
  • La energía que puede almacenar una batería por unidad de peso (Wh/kg) –  Energía Específica.
  • La potencia que puede entregar una batería por unidad de volumen (W/l) – Densidad de Potencia.
  • La potencia que puede entregar una batería por unidad de peso (W/kg) – Potencia Específica.
  • La vida útil de la batería, que se mide por el número de veces que la batería puede ser recargada recobrando su capacidad completa de recarga – Ciclos de recarga.
  • La fracción de energía eléctrica que devuelve la batería en relación a la que ha sido necesaria para cargarla (%) – Eficacia.
  • El tiempo necesario para realizar una recarga completa de la batería (h) -Tiempo de recarga.
  • La capacidad de la batería de no sobrecalentarse – Estabilidad térmica.
  • El coste de la batería por unidad de energía almacenada (USD/kWh).

Lo ideal, es una batería que entre otros sea de pequeño tamaño, pese poco, tenga una larga vida útil, se cargue rápidamente, sea segura y tenga un bajo costo. Algunas de estas características como el peso y el volumen de la batería pueden ser muy importantes para un automóvil eléctrico, pero menos relevantes para una batería estacionaria de gran capacidad de almacenamiento.

¿Qué tecnologías de cátodos de ion litio existen?

Las tecnologías más usadas para el cátodo de las baterías de iones de litio son las siguientes:

  • Óxido de litio y cobalto – LCO. Su principal propiedad es su mayor densidad de energía y alta energía específica (150 – 190 vatios hora de electricidad en 1 kilogramo de batería – Wh/kg). El inconveniente que tiene es su inestabilidad térmica, su ciclo de vida relativamente corto (500 a 1000 ciclos), el alto costo del cobalto sumado a los problemas medioambientales que trae su explotación. Su principal área de aplicación es en la electrónica portátil como celulares, laptops, cámaras, tablets, no así en automóviles eléctricos.
  • Óxido de litio y manganeso – LMO. Tiene una alta potencia específica y un ciclo de vida más largo (1000 a 1500 ciclos). El problema es su baja densidad de energía (100 – 140 Wh/kg). El manganeso es más abundante, barato, seguro y más benigno para el medio ambiente. Su uso principal se da en bicicletas eléctricas, también en herramientas eléctricas, dispositivos médicos y algunos vehículos comerciales como los híbridos.
  • Fosfato de litio y hierro – LFP. Es una de las baterías de ion litio más seguras, pero son más pesadas porque su energía específica es más baja (90 – 140 Wh/kg). Ofrece estabilidad térmica ya que soporta altas temperaturas, sus materiales son menos tóxicos, tiene más durabilidad (hasta 2000 ciclos) y su costo se hace más bajo porque el hierro es abundante y no contiene cobalto ni níquel. Estas ventajas lo hacen más atractivo para tecnologías de almacenamiento de energía estacionarias, herramientas eléctricas y vehículos pesados como autobuses o de bajo costo como los taxis.
  • Óxido de litio níquel cobalto y aluminio – NCA. Ofrece la más alta energía específica (200 – 250 Wh/kg), además de una alta potencia específica y de 1000 a 1500 ciclos de vida. El níquel es conocido por su alta energía específica pero poca estabilidad. Al reducir el uso de cobalto baja su precio, pero en comparación a las otras químicas es más costosa. Su uso está en automóviles eléctricos y en equipos electrónicos portátiles.
  • Óxido de litio níquel manganeso y cobalto – NMC. Puede proporcionar alta energía y potencia específica y estabilidad térmica. Tienen un ciclo de vida más largo (1000 a 2000 ciclos), pero una densidad de energía más baja (140 – 200 Wh/kg). Esta tecnología ha dominado los mercados de vehículos eléctricos de batería y los vehículos eléctricos híbridos enchufables, también se aplica en la electrónica portátil y aplicaciones estacionarias.

¿Qué tipo de baterías de ion litio se usan en los automóviles eléctricos?

Las baterías utilizadas en los vehículos eléctricos varían dependiendo del fabricante y el modelo. Los primeros automóviles eléctricos usaron las tecnologías LCO y LMO; posteriormente el mercado se trasladó a otras composiciones como NMC y LFP. El LFP ha mejorado su rendimiento en la última década, tiene más ventajas y ha ganado más popularidad, aunque aún está por detrás de las químicas basadas en cobalto.

Las celdas NCA y NMC que usan cobalto son las más comunes en los vehículos eléctricos. En ambas, NCA y NMC, la tendencia es a utilizar cada vez proporciones más pequeñas de cobalto e incrementar el uso del níquel. Según la Agencia Internacional de Energía (AIE), la química NMC es la dominante para las baterías de iones de litio, con alrededor del 71 % de participación en las ventas y tiene el mejor potencial para los autos eléctricos a corto plazo. La NCA representa la mayor parte del restante 29% de las ventas y se espera que reemplace al NMC. Por su parte la química LFP tiene por debajo del 4 % del mercado de vehículos eléctricos.

Recientemente se anunció la batería de ferrofosfato de litio y manganeso LMFP. Producida por Lithium Australia, sería más barata, segura, duradera, y proporcionaría un 25 % más de densidad de energía que la LFP. Aún no se ha iniciado su producción comercial de este tipo de batería, pero está disponible para pruebas de los potenciales consumidores.

También se han anunciado las baterías NCMA (níquel, cobalto, manganeso, aluminio) desarrollada por LG Energy Solution, que tendría un 90 % de níquel en su composición y una densidad de energía muchísimo más alta que las demás. Su uso comercial se daría por Tesla a partir del segundo semestre del 2021.

En su publicación sobre Vehículos Eléctricos, Perspectivas 2021, de Bloomberg, se señala que las baterías NMCA entrarán en el mercado este 2021, dos años antes de lo previsto, brindarán alta densidad de energía y un ciclo de vida más largo que los materiales NMC o NCA. Para el final de esta década, Bloomberg estima que predominarán nuevas químicas que usen más manganeso para reducir la presión sobre el níquel.

¿Qué otras químicas a base de litio están en desarrollo para el ánodo y el electrolito de la batería?

Actualmente el grafito es el material que domina el ánodo en la mayoría de las baterías de iones de litio. Entre sus ventajas están su alta densidad de energía, buena estabilidad y bajo costo. Entre sus limitaciones está una capacidad de intercalación de litio deficiente.

Los segundos materiales más usados para el ánodo son el litio aluminio y el litio silicio. También está el Óxido de titanato de litio – LTO que tiene como ventajas, entre otros, su alta seguridad, un largo ciclo de vida, alta tasa de carga y descarga y materiales no tóxicos. La desventaja del LTO es su baja densidad de energía, por lo que se usa principalmente en vehículos eléctricos pequeños y baterías estacionarias. Así mismo están las baterías de litio metálico en el ánodo que tienen una capacidad de recolección de carga mucho mayor que el grafito. Sus desventajas son su alto costo y ciertos problemas técnicos que aún deben superarse. El metal litio no puede ser utilizado con baterías de electrolito líquido, pero su uso puede aumentar significativamente con la batería de estado sólido.

A nivel del electrolito se está buscando alternativas para remplazar este líquido elemento por el cual circulan los iones de un electrodo al otro. Uno de los más importantes emprendimientos al respecto son las baterías de estado sólido que contarían con un electrolito sólido a base de polímeros y que, en teoría, tendrían un alto nivel de energía específica, una mayor estabilidad térmica, durabilidad, carga más rápida y eliminaría el elemento más inflamable de la batería. Además, permitiría el uso del metal litio en el ánodo, con el que podría almacenar hasta 10 veces más energía que los dispositivos actuales. Sin embargo, aún son más costosas que las tradicionales baterías de ion litio con electrolito líquido.

Según Bloomberg, si las baterías de estado sólido llegarán al mercado en la segunda mitad de esta década, es probable que representen un gran salto en el rendimiento de la batería, extendiendo el rango de los vehículos eléctricos hasta en un 50 %, y reduciendo el tiempo de carga a 15 minutos. Según la AIE ya se están fabricando baterías de electrolito de estado sólido y ánodo de metal de litio con densidades de 320 Wh/kg, y su mayor desafío es escalar su producción para ser comercialmente viables.

¿Qué hay más allá de las baterías de ion litio?

Nuevas tecnologías que reemplacen o compitan con las baterías de litio aún están en desarrollo. Las más conocidas son las siguientes:

  • Baterías de flujo redox.  Las baterías de flujo es una forma de batería recargable de larga duración, que funcionan haciendo fluir un electrolito a través de una serie de placas. En comparación con las baterías de iones de litio, pueden lograr una menor degradación, una seguridad mejorada y tener una vida útil casi ilimitada. Servirían más para aplicaciones residenciales y estacionarias a gran escala, para vehículos eléctricos serían demasiados grandes. Sin embargo, son comparativamente menos potentes que las baterías de iones de litio y requieren una electrónica más sofisticada.
  • Aluminio-aire. Funcionan aprovechando la electricidad generada cuando las placas de aluminio reaccionan con el oxígeno del aire. Entre sus virtudes están que tiene una densidad de energía más alta, el aluminio utilizado en una batería podría alcanzar los 2500 Wh/kg, es más barata y segura. La India es el país que está impulsando esta tecnología, en lugar del litio como material clave porque tiene grandes reservas de bauxita, mineral utilizado para fabricar aluminio, y escasez de litio. Entre los principales inconvenientes, están los costos de los materiales que deben agregarse y que no es recargable, la batería sería intercambiable.

¿Y los vehículos a hidrógeno?

El hidrógeno que es el elemento químico más ligero que existe, puede ser almacenado en pilas de combustible de hidrógeno para generar electricidad a través de un proceso químico. Las aplicaciones de las pilas de combustible de hidrógeno pueden ser en el transporte (pasajeros, aviación, refrigeración y barcos), en la industria (aceros, químicos y calefacción), en edificios (calefacción) y refinerías.

La pila de combustible de hidrógeno es una opción que se viene desarrollando como alternativa a las baterías de ion litio, pero que aún reviste una serie de problemas a nivel de costo, potencia, eficiencia, durabilidad, entre otros. El auto a hidrógeno tiene cierto parecido con un auto a combustión pues se recarga en surtidores de hidrogeno y genera electricidad a partir de una reacción química entre el hidrógeno y el oxígeno. La principal ventaja de un auto de pila de combustible de hidrógeno es que el tiempo de recarga es muy rápido, casi similar al de un auto a gasolina, y puede tener una autonomía de viaje de 600 km. Sin embargo, su desventaja es el costo elevado de producción y la poca existencia de estaciones de hidrógeno para recargar el vehículo. Instalar una estación de recarga de hidrógeno cuesta 10 veces más que la instalación de una estación para recarga de movilidades eléctricas.

Actualmente, existen importantes inversiones en tecnología de pilas de combustible de hidrógeno. Toyota, en particular, afirma que los autos híbridos con tanques de hidrógeno serán competitivos durante los próximos 30 años, y que los vehículos eléctricos a batería no son necesariamente el futuro.

Una de las polémicas sobre las pilas de combustible de hidrógeno es en relación a cómo se obtiene el hidrógeno: las variedades de hidrógeno marrón, gris y azul provienen de combustibles fósiles. Por su parte, la variedad de hidrógeno verde, que sería la opción más sostenible, requiere de grandes cantidades de electricidad.

Liebreich, reconocido analista y crítico del hidrógeno, afirma que “el sector petrolero está presionando por coches de hidrógeno ineficientes porque quiere retrasar la electrificación”. Él también se opone al uso de hidrógeno verde en ciertos sectores donde existen soluciones eléctricas más baratas y eficientes, como los automóviles y la calefacción doméstica. Además, indica que las grandes corporaciones del petróleo y el gas, están gastando decenas de millones de euros en cabildear con los gobiernos para promover esta tecnología.

Fuentes:

  • Electric Vehicle Battery Supply Chain Analysis. How Battery Demand and Production are Reshaping the Automotive Industry. Insight. Update June 2021
  • Energy Transition Outlook 2021. Technology Progress Report. DNV
  • Global EV Outlook 2021. Accelerating ambitions despite the pandemic. International Energy Agency – IEA.
  • The Role of Critical Minerals in Clean Energy Transitions. World Energy Outlook Special Report. International Energy Agency – IEA.
  • Innovation in batteries and electricity storage. A global analysis based on patent data. European Patent Office and International Energy Agency. September 2020
  • Battery Society. Rystad Energy Transition Report. March 2021. Free Edition
  • Energy Societies in 2050. Rystad Energy Transition Trend. December 2020
  • Hydrogen Society. Rystad Energy Eransition Report. February 2021 free edition
  • Lithium Australia takes key step in next-generation battery chemistry push
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