Las tecnologías de baterías están surgiendo rápidamente como la nueva línea del frente de la revolución de la energía sostenible.
La semana pasada, China se unió a Gran Bretaña, Francia, India y Noruega al anunciar planes para abandonar los automóviles de gasolina y diésel en favor de los vehículos eléctricos. Mientras tanto, el rápido crecimiento de la energía solar y otras fuentes renovables requerirá tecnología de almacenamiento de energía para un uso eficaz a escala de la red eléctrica. Se prevé que estas tendencias contribuyan a elevar la producción mundial de baterías de iones de litio de los 30 GWh anuales actuales a 200 GWh en los próximos años.
Ahora se plantean preguntas sobre si contamos con suficientes materias primas para satisfacer la creciente demanda de tecnologías de almacenamiento de energía y sobre cuán sostenibles son esos materiales.
Baterías de iones de litio: la tecnología
Las baterías de iones de litio son extraordinarias porque una misma tecnología fundamental puede utilizarse en muchas aplicaciones distintas: dispositivos médicos, teléfonos móviles, computadoras, herramientas eléctricas, drones, automóviles híbridos y totalmente eléctricos, autobuses, transbordadores, aviones y almacenamiento de energía en microrredes o en el hogar.
Para adaptarse a estas distintas aplicaciones, las celdas de las baterías de iones de litio varían en tamaño y forma. Una sola celda prismática puede utilizarse en la batería de un teléfono inteligente, mientras que 7104 celdas cilíndricas (similares a las pilas AA, pero más grandes) se conectan entre sí para formar el paquete de baterías de 85 kWh de un automóvil Tesla Model S. Hoy en día, solo para el mercado de la electrónica de consumo se producen más de mil millones de celdas recargables de baterías de iones de litio al año. Y nuestra fascinación por los dispositivos electrónicos ha impulsado el aumento de la producción, las economías de escala y una reducción de casi tres veces en el costo de las celdas de baterías de iones de litio en los últimos cinco años, de unos $400/kWh a $150/kWh.
La importancia del cobalto para la industria de las baterías de iones de litio
Aunque a menudo se cuestiona la sostenibilidad del litio, se habla menos del cobalto. Sin embargo, desde 1991, cuando Sony comercializó la batería de iones de litio tal como la conocemos, la industria de las baterías ha dependido de este elemento; hoy, la batería de un teléfono inteligente contiene 1 gramo de litio y 8 gramos de cobalto. En una celda de iones de litio, el cobalto no se encuentra en su forma elemental, sino en millones de pequeñas partículas de un óxido que contiene litio y cobalto, conectado al terminal «positivo» de la celda. Estos compuestos de cobalto son fundamentales para el rendimiento de una batería de iones de litio. Determinan cuánto litio puede almacenarse en una masa y un volumen determinados, lo que afecta directamente a la densidad energética de la celda.
El mercado actual de baterías de iones de litio ya utiliza más del 40 % del cobalto extraído en el mundo. Sin embargo, un vehículo eléctrico requiere 10 kg de cobalto, 1000 veces más que la batería de un teléfono inteligente. Con la adopción cada vez más generalizada de los vehículos eléctricos y el creciente uso de energías renovables intermitentes, como la eólica y la solar, se espera que la cantidad de cobalto necesaria para las baterías de iones de litio aumente considerablemente en los próximos años.
La mayor parte del cobalto del mundo procede de regiones ricas en minerales de Zambia y la República Democrática del Congo (RDC). Hace dos años, Amnistía Internacional publicó un informe que llamó la atención sobre el trabajo infantil en las minas de cobalto de la RDC. Pese a los esfuerzos de debida diligencia, los expertos del sector admiten que es probable que el cobalto de procedencia cuestionable acabe en productos de consumo.
Si fuera fácil sustituir los compuestos de cobalto, ya se habría hecho por razones económicas. En comparación con el costo de otros metales de transición, como el níquel (US$15/kg), el manganeso (US$2/kg) y el hierro (el mineral cuesta menos de US$1/kg), el cobalto es el más caro (US$30/kg). Sin embargo, salvo el fosfato de hierro y litio, que se utiliza en muchas aplicaciones de alta potencia, prácticamente todos los materiales catódicos comerciales (es decir, los del lado del terminal positivo de las baterías) contienen cobalto. El principal obstáculo para eliminar el cobalto de las baterías de iones de litio es encontrar un material sustituto que permita a la celda funcionar durante miles de ciclos de carga y descarga.
Durante la carga y la descarga, los átomos de litio salen de los materiales activos de una celda y vuelven a incorporarse a ellos, lo que hace que los materiales se contraigan y expandan. Con el tiempo, esta repetida reorganización mecánica de los átomos degrada el material. El óxido de litio y cobalto (LCO) es uno de los materiales más resistentes a este tipo de degradación porque los átomos de cobalto y oxígeno están fuertemente unidos y forman una estructura en capas entre las que pueden deslizarse los iones de litio.
Sustituir por completo el LCO por óxido de litio y níquel u óxido de litio y manganeso produce celdas inseguras o inestables, pero los átomos de cobalto del LCO pueden sustituirse parcialmente y de forma segura por átomos de níquel, manganeso y aluminio. Por ejemplo, los óxidos de litio, níquel, manganeso y cobalto (NMC) se utilizan hoy en muchos teléfonos móviles, y el óxido de litio, níquel, cobalto y aluminio (NCA) se utiliza sobre todo en los automóviles Tesla.
Estos llamados «óxidos de cobalto con sustitución de metales» son la tendencia más destacada en el campo de las baterías. No solo reducen entre tres y cinco veces la cantidad de cobalto necesaria, lo que supone un ahorro de costos, sino que sustituir el cobalto por níquel aumenta la densidad energética del material activo de unos 550 vatios-hora por kilogramo (Wh/kg) hasta 750 Wh/kg. En 2014, el 33 % de las celdas utilizaba LCO y solo el 23 % utilizaba NMC. Para 2025, se prevé que menos del 20 % de las celdas utilice LCO, mientras que más del 40 % utilizará NMC.
Reciclaje de baterías de iones de litio
Al considerar cómo hacer más sostenible el almacenamiento de energía en baterías de iones de litio, el reciclaje parece una vía lógica. En Estados Unidos, se recoge y recicla el 99 % de las baterías de plomo-ácido. Sin embargo, reciclar las baterías de iones de litio no es tan sencillo. Debido a la diversidad de tipos de celdas y a la amplia variedad de materiales que las componen —que a veces ni siquiera se especifican en el embalaje de la celda—, las opciones para reciclar baterías de iones de litio son limitadas y a menudo requieren clasificación y manipulación manuales. Algunas plantas utilizan la pirometalurgia, un proceso en el que se funden todas las celdas de iones de litio que llegan a las instalaciones. La aleación de cobalto, níquel y cobre obtenida de esa fundición puede procesarse para recuperar los metales por separado o los precursores necesarios para fabricar materiales para baterías, como el carbonato de cobalto.
Se prevé que las iniciativas de reciclaje se amplíen y reduzcan la cantidad de cobalto que hay que extraer cada año. Los consumidores son cada vez más conscientes de la importancia de reciclar las baterías de iones de litio, y es probable que más normativas gubernamentales exijan su reciclaje. Además, el aumento del número de celdas grandes de automoción en circulación favorecerá el reciclaje, ya que suelen estar más estandarizadas y es más fácil controlar su devolución.
Dada la cantidad de baterías con grandes volúmenes de costoso cobalto que circulan hoy, la recuperación podría convertirse en una industria de mil millones de dólares al año para 2025. Sin embargo, esta rentabilidad depende en gran medida tanto de que las baterías contengan grandes cantidades de cobalto como de que los precios del cobalto y el níquel se mantengan altos.
Durante la próxima década, podríamos observar un aumento considerable de la disponibilidad de cobalto. Los yacimientos más ricos que se explotan hoy contienen apenas fracciones de un porcentaje de cobalto. Sin embargo, en el fondo oceánico hay yacimientos con una concentración de cobalto 20 o 30 veces mayor. La Autoridad Internacional de los Fondos Marinos de la ONU está otorgando derechos de explotación minera de esos yacimientos y se están desarrollando tecnologías para excavar a profundidades de 4 kilómetros; se prevé que la explotación comience para 2025.
La apertura de estos nuevos recursos minerales podría aliviar la preocupación del sector por el suministro y el costo del cobalto, pero también plantea nuevas preguntas sobre el impacto ambiental de la minería de cobalto y podría desincentivar la innovación en química de materiales y reciclaje.
Una vía para avanzar
Debemos iniciar una conversación sobre el futuro de las baterías de iones de litio y desarrollar un plan de acción para que los numerosos actores del sector —empresas mineras, fabricantes de materiales, fabricantes de celdas, fabricantes de equipos, la industria automotriz, investigadores, gobiernos y consumidores— puedan colaborar para mejorar la sostenibilidad de la tecnología de almacenamiento de energía más extendida.
Esta semana, en su Cumbre sobre el Impacto del Desarrollo Sostenible en Nueva York, el Foro Económico Mundial lanzará la Alianza Global de Baterías, con precisamente este objetivo en mente.
