Fortalecer la cadena de valor de las baterías

En las últimas décadas, la industria de fabricación de baterías ha experimentado un gran crecimiento, impulsada por la creciente importancia de la portabilidad y la flexibilidad en el día a día de los usuarios. Las modernas baterías de iones de litio (Li-ion) empezaron siendo pequeñas y se desarrollaron inicialmente para ser empleadas en productos electrónicos de consumo en la década de 1990. Hoy en día, son un componente esencial de los teléfonos móviles, los ordenadores portátiles y muchos otros.

Martin Eberhard, cofundador de Tesla, hizo un avance significativo al ensamblar múltiples baterías de litio para alimentar vehículos eléctricos (VE). Se dio cuenta de que las técnicas utilizadas para producir baterías para portátiles podían adaptarse para fabricar baterías mucho más grandes de manera rentable. Tesla y otros fabricantes de vehículos eléctricos integraron este avance en la cadena de suministro de baterías existente. El modelo insignia de Tesla, el Roadster de 2008, estaba equipado con 6.831 baterías de iones de litio para portátiles, lo que le permitía alcanzar una autonomía de 400 km (250 mi) y una velocidad máxima de más de 200 km/h (130 mph).

Más allá de los vehículos eléctricos, las inquietudes alrededor del cambio climático están impulsando una transición hacia técnicas de generación de energía sostenible, como la eólica, la solar y la geotérmica. El almacenamiento de baterías es crucial debido a la generación intermitente de estas fuentes de energía. Las baterías de litio modernas también se utilizan cada vez más para alimentar de forma continua las microrredes, complementando así la red eléctrica tradicional. Esto es especialmente importante en los centros de datos y otras aplicaciones que precisan de energías redundantes.

El litio se somete a numerosos pasos y procesos desde su extracción hasta llegar a los mercados mayoristas y minoristas, incluyendo la extracción minera, el refinado, la fabricación de baterías y su transporte. El precio de las baterías de litio engloba todos los pasos intermedios. Por ello, las baterías de litio de mayor tamaño pueden ser bastante caras. Así, por ejemplo, reemplazar la batería de un Tesla Model S cuesta entre 8.000 y 10.000 dólares.

La cadena de valor de las baterías consta de cuatro etapas principales:

1. Etapa inicial: los mineros extraen litio, cobalto, manganeso, fosfatos, níquel y grafito para su posterior utilización en la fabricación de baterías de iones de litio.
2. Etapa intermedia: los procesadores y refinadores fabrican componentes activos de cátodo y ánodo, mientras que los comerciantes de materias primas compran y venden estos componentes a empresas que ensamblan celdas de batería.
3. Etapa final: los fabricantes de baterías construyen celdas en módulos, que luego se venden a mayoristas o revendedores que los distribuyen a los consumidores finales.
4. Fin de la vida útil: los recicladores de baterías descomponen las baterías gastadas en componentes individuales, los cuales se reutilizan en la fabricación de nuevas baterías mediante diversos métodos.

El litio se encuentra en cantidades comerciales principalmente en Australia, Argentina, Bolivia y Chile. En Australia se utilizan minas a cielo abierto de espodumena para procesar la mayor parte del mineral de litio. La mina Greenbushes, en Australia Occidental, es la mina de litio de roca dura más grande del mundo y produce espodumena de litio por un valor aproximado de 5.600 millones de dólares al año.

En América del Norte y del Sur, el litio se concentra en las salmueras de salares que se encuentran debajo de antiguas salinas. Los productores perforan estos acuíferos salobres y bombean el fluido hacia lechos de secado, donde la mayor parte se evapora, dejando sales de litio como residuo. De los concentrados en el lecho de secado también se pueden extraer otros minerales como el bromo.

Una vez extraídas las materias primas, es necesario refinarlas hasta obtener formatos utilizables. Según Bloomberg NEF China, Corea del Sur y Japón son los principales países fabricantes de baterías del mundo. Actualmente, China lidera la cadena de suministro global de baterías de iones de litio, y produce el 80 % de todas las baterías de iones de litio, así como el 70 % de los cátodos y el 80 % de los ánodos. Asimismo, China también procesa y refina más de la mitad del litio, fosfato, cobalto y grafito del mundo.

Corea del Sur y Japón son los segundos fabricante más importantes de baterías, si bien su producción es significativamente menor. Corea del Sur produce el 15 % de los electrodos catódicos y el 3 % de los electrodos anódicos del mundo, mientras que Japón el 14 % y el 11 %, respectivamente.

El proceso de refinado del mineral de litio incorpora procedimientos de la fabricación de cemento, como la molienda, la calcinación y la sulfatación. La lixiviación y el filtrado se utilizan para eliminar otros minerales, como la alúmina, el manganeso y el calcio. Este proceso se repite hasta obtener un carbonato de litio de la calidad óptima para ser empleado en baterías.

La fabricación de baterías implica la construcción de celdas individuales y, finalmente, el montaje de conjuntos de celdas. Los componentes clave de este proceso son, entre otros, el cátodo, el ánodo y el electrolito. Los cátodos de iones de litio están compuestos principalmente de litio y los ánodos de carbono. Cada celda incluye un separador y una carcasa que contiene los materiales de la batería, la cual se llena con un electrolito conductor.

El ánodo y el cátodo se obtienen creando una suspensión formada por el material activo, agentes conductores y un aglutinante. A continuación, esta suspensión se deposita sobre un sustrato de película o lámina. La lámina se corta, se recorta y se calandra, se aplana entre dos rodillos presurizados, para adaptarla a la batería y posteriormente se seca. El disolvente se recupera para reutilizarlo.

Una vez terminados el ánodo y el cátodo, se instala un separador entre ellos. A continuación, se rellena toda la carcasa con gel electrolítico.

Además de los desafíos habituales de la cadena de suministro, la cadena de valor de las baterías presenta unas características únicas que requieren una supervisión rigurosa para garantizar tanto la seguridad como la sostenibilidad. En primer lugar, es fundamental gestionar cuidadosamente las cadenas de suministro para asegurar un flujo constante de salmueras, minerales y otras materias primas esenciales. Aunque gran parte de la fabricación de baterías se concentra en China, las materias primas provienen de todo el mundo, por lo que cualquier interrupción en su transporte puede causar grandes estragos.

Asimismo, los métodos de fabricación de baterías de iones de litio también producen residuos sólidos, líquidos y gaseosos. Esto puede generar impactos ambientales adversos, especialmente en regiones con regulaciones ambientales menos estrictas.

Por ello, es fundamental aplicar normas estrictas para la fabricación, eliminación y reciclaje de baterías de iones de litio, dado su riesgo inherente de incendio o explosión. Las baterías falsificadas provenientes de fuentes dudosas pueden aumentar significativamente estos riesgos.

El reciclaje de baterías de iones de litio también puede resultar complejo. Si bien las baterías de iones de litio se consideran residuos peligrosos, los fabricantes pueden obtener un importante ahorro de energía al reutilizarlas, lo que también ayuda a reducir las repercusiones ambientales negativas asociadas a su eliminación.

El elevado coste asociado a la producción de baterías de iones de litio se debe a la necesidad de disponer de materias primas de alta calidad, el estricto control de calidad necesario, la complejidad de los procedimientos de fabricación y la gran demanda de estos productos. Así, por ejemplo, se requieren 289 toneladas de mineral, 750 toneladas de salmuera o 28 toneladas de baterías de iones de litio para obtener una tonelada de litio puro apto para baterías.

Actualmente se está estudiando la viabilidad de las baterías de iones de sodio para poder hacer frente a estos desafíos. El sodio es mucho más abundante que el litio, se extrae con mayor facilidad y es considerablemente más económico. Además, es menos volátil y más estable.

También se están estudiando baterías de flujo, que almacenan energía en un electrolito líquido, para emplearlas en el almacenamiento de energía a gran escala. Este tipo de baterías está formado por dos o más depósitos que contienen el electrolito, el cual se bombea a través de una celda electroquímica para generar electricidad.

Sin embargo, las celdas de iones de sodio y las baterías de flujo tienen una menor densidad energética por volumen y peso en comparación con las baterías de iones de litio. También son menos eficientes, de manera que las aplicaciones finales en las que se utilizan ofrecen una menor fiabilidad. Así pues, es probable que las baterías de iones de litio continúen siendo la tecnología preferida en el futuro cercano.

Las baterías de iones de litio han revolucionado la energía portátil, haciendo posibles tecnologías transformadoras como los teléfonos inteligentes, las herramientas eléctricas, los vehículos eléctricos y las microrredes. A medida que el mundo evoluciona hacia la energía renovable y la movilidad eléctrica, la demanda de baterías no hará más que crecer. No obstante, la compleja y globalmente interconectada cadena de valor de las baterías de litio plantea desafíos significativos.

A fin de alcanzar la sostenibilidad a nivel global, es esencial garantizar el abastecimiento ético de materias primas, reducir los impactos ambientales a lo largo de todo el proceso de producción y resolver el desafío del reciclaje de baterías. Si bien las alternativas electroquímicas, como las baterías de iones de sodio presentan un gran potencial, la tecnología de iones de litio sigue dominando este sector. Las baterías de iones de litio son solo un componente de las iniciativas globales para la transición energética y la reducción de carbono, con el objetivo de alcanzar las emisiones netas cero para 2050.