El futuro de la movilidad en carreteras y autovías se presenta más noble con el medio ambiente de cara a 2030. Gobiernos y empresas se enrumban en una carrera por impulsar y fabricar coches eléctricos y baterías. Pero, ¿está el mercado capacitado para cubrir la demanda esperada? ¿Existen los materiales y las tecnologías para acompañar esas altas expectativas de cero emisiones?
Los gigantes automotrices Ford, GM y Stellantis (fusión de Fiat Chrysler y PSA Group) lograron un acuerdo con Joe Biden. En el convenimiento manifestaron su “ambición común de alcanzar en 2030 entre el 40% y el 50%” de vehículos eléctricos vendidos en EE UU”.
Audi, con sede en Alemania, planea dejar de producir autos que operan con gasolina para 2033. Muchas otras multinacionales automotrices han publicado mapas de carreteras similares. De repente, el paso lento de los principales fabricantes de automóviles para electrificar sus flotas se está convirtiendo en una traba o tal vez, en una gran motivación.
La electrificación de la movilidad personal se está acelerando de una manera que ni siquiera sus defensores más fervientes podrían haber soñado hace unos años.
Sin dudas, esta conversión industrial masiva marca un “cambio de un sistema energético intensivo en combustible a uno intensivo en materiales”, señaló la Agencia Internacional de Energía (AIE). En las próximas décadas, cientos de millones de vehículos saldrán a las carreteras, llevando enormes baterías en su interior. Y cada una de esas baterías contendrá decenas de kilogramos de materiales que aún no se han extraído.
Anticipando un mundo dominado por vehículos eléctricos, los científicos de materiales están trabajando en dos grandes desafíos. Uno, en cómo reducir los metales en las baterías que son escasos, costosos o problemáticos. Su extracción conlleva severos costos ambientales y sociales. Y otra en mejorar el reciclaje de baterías, de modo que los metales valiosos de estos aparatos ya gastados se puedan reutilizar. “El reciclaje jugará un papel clave en la mezcla”, dice Kwasi Ampofo, analista principal de metales y minería en BNEF ( Bloomberg NEF).
Coches eléctricos y baterías, retos de la industria
Los fabricantes de coches eléctricos y baterías están gastando miles de millones de dólares en reducir los costos de producción y reciclaje de baterías de estos autos. Impulsados en parte por los incentivos gubernamentales y la expectativa de las próximas regulaciones, señala Nature en una extensa investigación.
Los financiadores de investigación nacionales también han fundado centros para estudiar mejores formas de fabricar y reciclar baterías. Debido a que en la mayoría de los casos, todavía es menos costoso extraer metales que reciclarlos. Un objetivo clave es desarrollar procesos para recuperar metales valiosos a un precio suficientemente bajo para competir con los recién extraídos.
“El mayor conversador es el dinero”, señala Jeffrey Spangenberger, ingeniero químico del Laboratorio Nacional Argonne en Lemont, Illinois. Esta dependencia administra una iniciativa de reciclaje de baterías de iones de litio financiada con fondos federales de EE UU llamada ReCell.
Otro de los retos para los investigadores es reducir la cantidad de metales que deben extraerse para las baterías de coches eléctricos. Las cantidades varían según el tipo de batería y el modelo del vehículo. Pero un paquete de baterías de iones de litio para un solo tipo de automóvil podría contener alrededor de 8 kg de litio, 35 kg de níquel, 20 kg de manganeso y 14 kg de cobalto, según cifras del Laboratorio Argonne.
Los analistas no anticipan un alejamiento de las baterías de iones de litio en el corto plazo: su costo se ha desplomado tan drásticamente que es probable que sean la tecnología dominante en el futuro previsible. Ahora son 30 veces más baratas que cuando ingresaron al mercado por primera vez como baterías pequeñas y portátiles a principios de la década de 1990, incluso cuando su rendimiento ha mejorado.
El litio, entre alcances y limitaciones
En busca de alternativas por hacer realidad la masiva incursión de coches eléctricos y sus respectivas baterías al mercado, surgen de nuevo el litio y el cobalto. El litio en sí no es escaso. Un informe de junio de BNEF estimó que las reservas actuales del metal se ubican en 21 millones de toneladas, según el Servicio Geológico de EE UU. Y son suficientes para llevar la conversión a vehículos eléctricos hasta mediados de siglo.
A medida que los automóviles se electrifican, el desafío radica en aumentar la producción de litio para satisfacer la demanda. Sostiene Ampofo que “va a crecer unas siete veces entre 2020 y 2030”.
Esto podría resultar en una escasez temporal y cambios drásticos en los precios, comenta. Pero los contratiempos del mercado no cambiarán el panorama a largo plazo. “A medida que se construye más capacidad de procesamiento, es probable que esta escasez se resuelva por sí sola”, dice Haresh Kamath, especialista en almacenamiento de energía en el Instituto de Investigación de Energía Eléctrica en Palo Alto, California.
Para abordar los problemas con las materias primas, varios laboratorios han estado experimentando con cátodos con bajo contenido de cobalto o sin cobalto, reseña Nature. Pero los materiales del cátodo deben diseñarse cuidadosamente para que sus estructuras cristalinas no se rompan. Incluso si se eliminan más de la mitad de los iones de litio durante la carga. Y abandonar el cobalto por completo a menudo reduce la densidad de energía de una batería. Esto, porque altera la estructura cristalina del cátodo y la fuerza con la que puede unir el litio, afirma el científico de materiales Arumugam Manthiram de la Universidad de Texas en Austin.
Inversiones e investigaciones
Manthiram se encuentra entre los investigadores que han resuelto ese problema para los coches eléctricos y sus baterías. Al menos en el laboratorio, al demostrar que el cobalto se puede eliminar de los cátodos sin comprometer el rendimiento.
“El material libre de cobalto que informamos tiene la misma estructura cristalina que el óxido de cobalto de litio. Y, por lo tanto, la misma densidad de energía”, o incluso mejor, indica Manthiram. Su equipo hizo esto ajustando la forma en que se producen los cátodos y agregando pequeñas cantidades de otros metales. Mientras conserva la estructura cristalina de óxido de cobalto del cátodo.
Manthiram estima que debería ser sencillo adoptar este proceso en las fábricas existentes y ha fundado una empresa de nueva creación llamada TexPower para intentar llevarlo al mercado en los próximos dos años. Otros laboratorios de todo el mundo están trabajando en baterías sin cobalto. En particular, el fabricante pionero de vehículos eléctricos Tesla, con sede en Palo Alto, California, ha dicho que planea eliminar el metal de sus baterías en los próximos años.
Sun Yang-Kook de la Universidad Hanyang en Seúl, Corea del Sur, es otro científico de materiales que ha logrado un rendimiento similar en cátodos sin cobalto. En su opinión podrían permanecer algunos problemas técnicos en la creación de los nuevos cátodos. El proceso se basa en el refinado de minerales ricos en níquel, que pueden requerir costosas atmósferas de oxígeno puro. Pero muchos investigadores ahora consideran que el problema del cobalto está esencialmente resuelto.
Manthiram y Sun “han demostrado que se pueden fabricar materiales realmente buenos sin cobalto y que funcionan muy bien”, adelanta Jeff Dahn, químico de la Universidad de Dalhousie en Halifax, Canadá.
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