Los minerales esenciales impulsan la innovación en baterías

La transición energética global y las tendencias en electrificación están impulsando la movilidad y la adaptabilidad eléctrica, incluyendo el uso de vehículos eléctricos (VE) y soluciones de almacenamiento de energías renovables. Estas tendencias han llevado a los innovadores industriales a centrar su atención en la tecnología de baterías. Impulsada por la creciente demanda en la industria, la producción de baterías ha experimentado un aumento significativo en las últimas décadas, con nuevas fuentes de minerales y la mejora de la eficiencia de los procesos y las tecnologías de fabricación. 

En la química de las baterías, la combinación de los minerales utilizados influye en su rendimiento general. Diversos elementos y compuestos se combinan para formar los electrodos y el electrolito en cada celda, y las interacciones que se establecen entre ellos determinan las características de la batería. A continuación, seguimos el recorrido de los minerales esenciales, desde su extracción hasta su integración en las baterías que alimentan los sistemas móviles y eléctricos, de los que el mundo moderno depende cada vez más. También analizamos los desafíos y las estrategias para garantizar la estabilidad de la cadena de suministro. 

Las baterías de iones de litio (Li-ion) son, con diferencia, las baterías más utilizadas actualmente. Estas baterías se basan en una combinación compleja de minerales y materiales, cada uno de los cuales contribuye a sus propiedades únicas. Si bien el litio es el componente elemental más importante, para fabricar celdas de iones de litio también se necesitan otros minerales.

El cátodo de una batería influye en varias características clave del rendimiento, incluida la densidad energética, la potencia de salida y la vida útil de la celda.

El cobalto, valorado por su alta densidad energética y estabilidad, se utiliza habitualmente en los cátodos de las celdas de las baterías de iones de litio, especialmente para vehículos eléctricos. Sin embargo, la extracción de cobalto presenta más problemas éticos que la mayoría de los minerales utilizados en las baterías, lo que obliga a los fabricantes de baterías responsables a rastrear los orígenes de su cadena de suministro y a exigir a las partes que intervienen en las etapas previas de la fabricación a que cumplan con las buenas prácticas. Por ejemplo, la Unión Europea ha implementado regulaciones para los denominados "minerales de conflicto". Su objetivo es frenar el uso de minerales que financian conflictos armados o se extraen en condiciones que violan los derechos humanos.

El níquel también se emplea frecuentemente en los cátodos de las baterías de iones de litio, aportando una capacidad energética superior tanto en términos de peso como de volumen. Sin embargo, la extracción de níquel plantea inquietudes ambientales debido a su posible impacto en ecosistemas sensibles. Estos efectos pueden abarcar la deforestación, la pérdida de hábitats y la contaminación del agua en regiones oceánicas de donde se extrae principalmente el mineral, como Indonesia y Filipinas. Por ello, el reconocido fabricante estadounidense de vehículos eléctricos Tesla ha anunciado que dejará de utilizar baterías de iones de litio basadas en níquel en el futuro.

El manganeso es más abundante y económico que el níquel y el cobalto, aunque su densidad energética es menor tanto en términos de peso como de volumen. No obstante, su menor densidad energética lo hace menos reactivo y menos propenso a incendiarse, lo que lo convierte en una opción más segura en ciertos tipos de baterías de iones de litio, como las de fosfato de litio y manganeso. Por esta razón, los fabricantes de herramientas eléctricas y otros productores que buscan reducir los costes a menudo optan por utilizar este mineral en sus baterías.

Los ánodos constituyen el electrodo negativo de una batería y están hechos principalmente de grafito, un alótropo del carbono que es abundante y rentable. No obstante, la extracción de grafito también conlleva desafíos medioambientales, principalmente por la posible contaminación por polvo, del agua y la degradación del suelo. Así pues, es esencial abordar estos aspectos para garantizar unas operaciones sostenibles.

En algunas de las baterías de alta densidad más recientes, el ánodo se fabrica con silicio en lugar de grafito, ya que puede almacenar una mayor cantidad de iones de litio. En la industria de vehículos eléctricos, esto permite aumentar la autonomía y la velocidad de carga. Sin embargo, la tendencia del silicio a expandirse y contraerse durante los ciclos de carga y descarga supone un riesgo de seguridad que debe ser reducirse en el proceso de fabricación de las celdas.

El electrolito entre el cátodo y el ánodo de una batería facilita el flujo de iones. Normalmente está formado por sales de litio disueltas en disolventes orgánicos. Actualmente, el hexafluorofosfato de litio, producido al reaccionar el fluoruro de litio con otros solventes, es el más utilizado en el mercado de electrolitos de Li-ion, si bien también se están investigando sales de litio alternativas y electrolitos de estado sólido.

El litio se encuentra con mayor frecuencia en depósitos de salmuera de América del Sur y en formaciones de roca dura de Australia. Generalmente se extrae a través de estanques de evaporación a gran escala o mediante métodos de minería convencionales. Ambos métodos de extracción requieren una gestión responsable para minimizar el impacto negativo en los recursos hídricos y los ecosistemas locales.

A diferencia de muchos metales, el litio no se refina a un estado metálico, sino en compuestos solubles de gran pureza, como el carbonato de litio o el hidróxido de litio.

La extracción de salmuera implica concentrar las sales de litio de aguas subterráneas salinas a concentraciones de entre 200 y 1400 mg/l, normalmente utilizando grandes estanques de evaporación. A gran escala, este proceso requiere mucho tiempo y un elevado consumo de agua.

Una vez concentrada, la salmuera se somete a diferentes reacciones químicas para precipitar los compuestos no deseados. Este proceso culmina en una cristalización final que permite extraer el carbonato de litio. A fin de maximizar la recuperación de litio y minimizar los residuos, es necesario llevar a cabo una monitorización minuciosa de estas reacciones e implementar procesos de filtración eficientes.

Como alternativa, también se puede optar por la extracción directa de litio, la cual ofrece una forma más sostenible de obtener litio de la salmuera sin recurrir a estanques de evaporación. Este proceso utiliza materiales adsorbentes que tienen afinidad por el litio. Algunos de estos materiales son, por ejemplo, minerales arcillosos y resinas de intercambio iónico que permiten captar disolventes ricos en litio de la salmuera. Una vez que los adsorbentes están saturados con iones de litio, se someten a una desorción y se recoge la solución de litio. Desafortunadamente, este proceso aún no es factible a la escala requerida para cubrir la demanda comercial de litio.

La extracción de roca dura consiste en extraer el mineral de espodumena, triturarlo y convertirlo en beta-espodumena mediante calentamiento a altas temperaturas en hornos rotatorios. Este proceso consume una cantidad bastante elevada de energía.

Una vez transformado, el mineral se somete a reacciones químicas que, al igual que en el proceso de extracción con salmuera, eliminan gradualmente las impurezas. Este proceso continúa paso a paso hasta que solo queda carbonato de litio, con subproductos menores en bajas concentraciones. El compuesto resultante debe purificarse aún más mediante la adición de una solución de bicarbonato de litio, seguido del filtrado y un segundo calentamiento para obtener carbonato de litio de un grado de calidad óptimo para ser empleado en baterías. Este grado se conoce como “cinco nueves”, o una pureza del 99,999 %.

Al igual que el litio, otros minerales utilizados en baterías deben refinarse para alcanzar la pureza necesaria antes de ser empleados en la fabricación de celdas de baterías. En general, este proceso implica diversas transformaciones químicas y físicas que varían dependiendo del mineral en cuestión y su uso previsto. Así, por ejemplo, mientras que el refinado de litio requiere múltiples etapas de purificación y filtración, el cobalto y el níquel se separan a través de complejos procesos pirometalúrgicos o hidrometalúrgicos.

Después del refinado, se utilizan materiales de alta pureza para fabricar los componentes de las baterías. Los materiales del cátodo y del ánodo se sintetizan mediante procesos precisos de mezcla, calentamiento y recubrimiento. Cada uno de estos procesos requiere una medición fiable y un estricto control de calidad para asegurar un rendimiento óptimo de las baterías. 

Los electrolitos se formulan disolviendo cuidadosamente las sales de litio en disolventes puros, a la vez que se limita la entrada de humedad para evitar la degradación de la batería y los riesgos de seguridad. Posteriormente, estos componentes se combinan, se disponen en capas intrincadas, se envuelven y se sellan herméticamente para prevenir fugas y asegurar la longevidad.

Durante el ensamblaje, las celdas individuales se agrupan en paquetes de baterías y módulos, específicamente diseñados para diversas aplicaciones como teléfonos inteligentes, vehículos eléctricos y avanzados sistemas de gestión energética con respaldo de baterías.

El recorrido de los minerales utilizados en las baterías no concluye con su primer uso. A medida que tanto la industria como la ciudadanía son cada vez más conscientes de la naturaleza finita de estos recursos y del impacto ambiental que genera su extracción y procesamiento, surge un impulso para implementar los principios de la economía circular. Para lograrlo, es esencial emprender acciones que mejoren la viabilidad delreciclaje de baterías y poder así recuperar valiosos minerales una vez que las baterías hayan alcanzado el final de su vida útil. De esta forma se reduce la dependencia de nuevas extracciones mineras y se mitigan las vulnerabilidades de la cadena de suministro.

Con el aumento de la demanda de baterías de iones de litio, resulta crucial optimizar los procesos de extracción, producción y reciclaje de minerales para garantizar unas operaciones sostenibles y minimizar el impacto ambiental. Las acciones a tener en cuenta incluyen la implementación de estrategias eficaces de gestión del agua, el estricto cumplimiento de las normativas ambientales regionales, así como la inversión por parte de las empresas mineras y otras partes implicadas en la extracción directa de litio.

La producción de minerales para baterías refleja la interconexión entre la tecnología, el medioambiente y los movimientos sociales. A medida que la humanidad avanza en la transición energética y se dirige colectivamente hacia la neutralidad en carbono, la industria debe incorporar la ética, la protección del medioambiente y la rentabilidad en sus estrategias de sostenibilidad a largo plazo. El éxito sostenido en el tiempo depende de los avances tecnológicos, la adquisición ética de materias primas y una producción sostenible.