Revista Nueva Minería

Todas utilizan productos químicos diferentes por costo o rendimiento, describe el semanario británico The Economist.

Los grandes edificios grises que cubren un complejo industrial en Nysa, al suroeste de Polonia, parecen como si una fábrica moderna de automóviles se hubiera teletransportado a los terrenos agrícolas circundantes. No obstante, la planta no fabrica automóviles, sino que es una parte nueva y vital de la cadena de suministro automotriz para vehículos eléctricos (VE). Estos dependen de baterías que contienen materiales que pueden ser caros, difíciles de obtener y que se procesan principalmente en China.

La planta en Nysa es la primera que produce esos materiales a escala en Europa. Las baterías de ion litio que alimentan la mayoría de VE son su único componente más caro, que representa por lo general cerca del 40% del precio del vehículo cuando está nuevo. Los materiales con los que están hechas estas baterías definen su rendimiento, porconsiguiente ayudan a determinar qué tan lejos puede viajar un VE con una sola carga, qué tan rápido puede avanzar y cuánto tiempo durará su batería. A su vez, el componente más crítico en esas baterías son sus cátodos, que responden por cerca de la mitad de su valor. La planta de Nysa fabrica materiales para cátodos, lo que la pone en el centro de una revolución de baterías.

A medida que se desaceleran las ventas de VE en algunos mercados, los fabricantes de automóviles esperan acelerar las ventas con baterías más baratas y más potentes. Sin embargo, los materiales más económicos pueden proporcionar un nivel reducido de rendimiento, por lo tanto es probable que se utilicen en automóviles de ciudad con menos autonomía. Las versiones de alto rendimiento más costosas están dirigidas a los automóviles de lujo y deportivos. Y en algún punto en el medio hay versiones de ambos. Lo que todo esto significa es que los VE van a utilizar muchos tipos diferentes de batería, y cada versión va a necesitar una mezcla diferente de material activo de cátodo (CAM).

Nysa muestra cómo la industria se está preparando para este futuro de múltiples baterías. “No estamos apoyando una en especial”, dice Mathias Miedreich, jefe de Umicore, una multinacional de tecnología de materiales con sede en Bruselas y propietaria de la operación de Nysa. Esta estrategia se refleja en el diseño de la planta. Una mayoría de fábricas está configurada en una forma lineal, en la que las materias primas avanzan a lo largo de una línea de producción a medida que se llevan a cabo las operaciones.

Las fábricas de CAM existentes de Umicore en China y Corea del Sur operan de esta forma. No obstante, en Nysa la producción está dispuesta de un modo modular. Los diferentes procesos se realizan en edificios separados, y los materiales se transportan entre ellos en contenedores gigantes similares a sacos. Esto permite cambiar la producción rápidamente para hacer químicos de baterías alternativos según la demanda, y para que se introduzcan nuevos procesos más fácilmente a medida que las tecnologías evolucionan. Esta disposición se está utilizando como un modelo para una planta de CAM que la compañíaestá construyendo en Canadá.

En estos momentos, la materia prima principal que entra a la planta de Nysa es el litio, el que proviene en su mayor parte de minas en Chile y Australia. Después de las pruebas, se mezcla con diversas combinaciones de níquel, manganeso y cobalto antes de cocinarse en hornos gigantescos. Luego se tamiza, se limpia y se envía a los fabricantes de baterías para que produzcan las llamadas baterías NMC. Los métodos exactos que se utilizan en Nysa son complejos y sumamente patentados. Los visitantes y el personal se despojan de sus teléfonos junto con otros artículos, entre ellos las joyas (parte del equipo utiliza fuerzas magnéticas sensibles).

Caballos de carrera

Los fabricantes de baterías cubren de CAM una lámina metálica para formar cátodos. Cuando una batería se carga, los electrones se desprenden de sus átomos de litio en el cátodo, creando partículas cargadas llamadas iones. Estos últimos migran a través de un electrolito líquido hasta un segundo electrodo, llamado ánodo, el que a menudo está hecho de carbono. Los electrones, a los cuales un material separador les impide tomar esta ruta, viajan en cambio a lo largo de los cables del circuito de carga hasta el ánodo donde se reúnen con los iones y se almacenan. Cuando la batería se descarga, el proceso se invierte, alimentando dispositivos como un motor eléctrico en el proceso.

Una mayoría de fabricantes de automóviles está tratando de utilizar menos cobalto, o eliminarlo por completo. No solo es caro, tóxico y raro, sino que la extracción de cobalto se ha vinculado con abusos laborales en la República Democrática del Congo, su fuente principal. Por esta razón, Umicore utiliza un proceso de supervisión para excluir prácticas poco éticas. Esta trazabilidad se está volviendo cada vez más importante, especialmente en la Unión Europea donde se exigirán “pasaportes de baterías” para los VE a partir de febrero de 2027. Estos detallarán la fuente y naturaleza de los materiales que se emplearon en su producción.

Una alternativa más barata a las celdas NMC utiliza litio ferrofosfato (LFP). Estas prescinden de cobalto y níquel, pero tienen una densidad más baja de energía. Para algunos usos puede que esto no importe. En China, los vehículos alimentados con LFP están siendo populares entre los automovilistas urbanos que viajan distancias más cortas. Algunos Tesla de rango estándar también utilizan celdas LFP.

Otra alternativa para el litio es el sodio, el que a pesar de ser más pesado es más económico y fácil de obtener. Las baterías de sodio pueden utilizar cátodos hechos de metales relativamente baratos, como manganeso y hierro, pero también tienen un nivel más bajo de rendimiento que las celdas NMC. Una serie de fabricantes de baterías, entre ellos CATL de China, el más grande del mundo, ya están estableciendo líneas de producción para celdas de sodio. IDTechEx, una firma de analistas, estima que podrían ser entre un 20% y un 30% más baratas que las baterías de ion litio.

Un mercado potencialmente enorme es almacenar energía renovable en la red, donde el aumento de peso no es tanto un problema. Al mismo tiempo, las baterías de ion litio también mejoran. En el horizonte se vislumbran versiones potentes de estado sólido, las que prescinden de un electrolito líquido. Toyota, entre otros, ya las está desarrollando. Van a ser más pequeñas y más livianas, duplicando la autonomía de los VE existentes y reduciendo los tiempos de recarga a unos pocos minutos. En un principio van a ser caras y es probable que aparezcan en modelos de lujo y deportivos.

Umicore empezó a producir baterías de estado sólido en un centro de prototipos construido con ese propósito en Olen, Bélgica, para hacer pruebas en vehículos. Sin embargo, ya vienen más productos químicos para baterías. Umicore está explorando DRX (sal de roca desordenada), lo cual se refiere a una estructura cristalina que podría dar a las celdas de ion litio una densidad de energía que iguala al cobalto y al níquel, pero con materiales que están a disposición más fácilmente, como el manganeso y el titanio. Gerbrand Ceder y sus colegas de la Universidad de California, Berkeley, estiman que las baterías DRX podrían estar disponibles comercialmente dentro de cinco años.

A pesar de la desaceleración irregular en las ventas de VE, la demanda de materiales para baterías está en auge. La planta de Nysa, la que abrió en septiembre de 2022, ya se está ampliando y se está construyendo una segunda fábrica al lado en una operación conjunta con PowerCo, una compañía que combina las actividades de baterías de Volkswagen Group. En conjunto, las dos plantas tienen el potencial de producir más de 200 gwh de material de cátodo al año,suficiente para unos 3 millones de VE.

En el otro lado de la batería, los ánodos también están empezando a ver más innovación. Group 14 Technologies, una compañía ubicada cerca de Seattle, ha empezado a fabricar un material de ánodo hecho de un compuesto de silicio y carbono. Por lo general, los ánodos están hechos de grafito. El silicio, el que es abundante y económico, puede absorber, en teoría, diez veces más iones de litio que el grafito. No obstante, al hacerlo, el silicio puede dilatarse hasta tres o cuatro veces su tamaño, lo que haría que las baterías que lo utilizan sean proclives a dañarse.

El compuesto de Group 14 contiene la expansión porque enjaula el silicio en un “andamio” hecho de nanopartículas de carbono, explica Grant Ray, jefe de estrategia de la firma. Esto permitirá que un ánodo de compuesto de silicio eleve la densidad energética de una batería hasta en un 50%. A medida que la compañía aumenta la producción, es probable que las primeras baterías que utilizan ánodos tengan aplicaciones de alto rendimiento; Porsche, un fabricante alemán de autos deportivos, es uno de los que apoya a la firma.

Exactamente cómo se desarrollen todas estas tecnologías de baterías competidoras dependerá de los precios de los materiales. El uso cada vez mayor de sustancias más baratas, como el sodio, podría mitigar la presión sobre el suministro de litio, níquel y cobalto. Como también lo hará el reciclaje, porque una cantidad cada vez mayor de materiales para batería provendrá de una cantidad creciente de VE que llegará al final del camino. En realidad, escoger a los ganadores será difícil. Al igual que la fábrica en Nysa, la industria de baterías necesita toda la flexibilidad que pueda obtener.

Fuente: The Economist / Traducción: El Mercurio