Una de las principales características del mundo moderno es sin duda la rápida evolución que registran las tecnologías para generar energía, una carrera frenética que se encuentra fuertemente influenciada por el cambio climático y el desarrollo de sistemas destinados a reemplazar los combustibles fósiles -responsables de producir cerca del 25% de las emisiones totales de dióxido de carbono a nivel global-, por energías basadas en fuentes renovables.
Por Emilio Bunel en El Mercurio On line
En el mundo de las baterías ion-litio se generan constantes mejoras gracias a las innovaciones introducidas en los nuevos materiales que componen las baterías, logrando así en pequeños incrementos el aumento de la densidad energética, su vida útil y seguridad, aspectos fundamentales para optimizar el funcionamiento de baterías eléctricas en los vehículos.
Esto está permitiendo notables avances, que si bien serán beneficiosos para terminar con nuestra dependencia de los combustibles fósiles, podrían tener un impacto en nuestra economía local basada en la explotación de recursos naturales, como ocurriera hace más de 100 años cuando el salitre natural fue reemplazado por salitre sintético debido a los avances tecnológicos para convertir nitrógeno del aire en amoniaco. Hoy, algunos de los componentes más utilizados, como el níquel, el cobalto e incluso el litio, podrían ser reemplazados gracias a esta nueva generación de baterías eléctricas.
Nuevas tecnologías
El cobalto es un mineral escaso, tóxico, que se encuentra en el cátodo de casi todas las baterías de ion-litio utilizadas en la actualidad. Es caro, pesado y está vinculado a prácticas mineras poco éticas, oscilaciones de precios salvajes y una tenue cadena de suministro global. No es de extrañar que tantos fabricantes de baterías quieran dejar su hábito del cobalto. En julio del 2020, un equipo de tres investigadores de la Universidad de Texas informó los resultados de las pruebas que utilizan una nueva química catódica que elimina el cobalto por completo. Utilizaron su cátodo rico en níquel y, aunque la batería tenía una densidad de energía ligeramente menor que las baterías de cobalto típicas, era capaz de operar a voltajes más altos y a tasas de carga similares. Incluso después de 1.000 ciclos completos de carga-descarga, la vida útil típica de una batería comercial, la celda experimental funcionó tan bien como las celdas comparables con cátodos de cobalto.
El otro ejemplo se relaciona con el uso del litio. Aún cuando el rol que éste juega difícilmente va a ser reemplazado en el futuro, hay nuevos desarrollos de baterías que no contienen litio y que podrían tomar una buena parte del mercado actual dominado por esta clase de baterías. Un ejemplo en particular lo constituyen las baterías de sodio, que es un elemento de bajo costo y mucho mas abundante que el litio en la naturaleza.
Recientemente, la compañía china Contemporary Amperex Technology (CATL), anunció que comenzará a producir este tipo de baterías de forma comercial, con una densidad energética similar a las baterías tradicionales de tipo litio hierro fosfato (LFP) que son ampliamente utilizadas en aplicaciones de electromovilidad en el transporte urbano.
Dicha densidad corresponde a la medida de la cantidad de energía que una batería puede almacenar para una masa dada -vale decir por kilo-, y resulta fundamental en toda esta historia, ya que se traduce en la frecuencia con que deben recargarse las baterías.
Según indica CATL, las nuevas celdas y baterías basadas en sodio presentan una densidad energética de 160KWh/kg, mientras que la próxima versión que entrará al mercado será de 200kWh/kg, el mismo rango de algunas utilizadas en buses eléctricos fabricados en China. De continuar este acelerado desarrollo, pronto el costo de las baterías en $/kWh, llegará a un punto donde estará a la par con el costo de la gasolina.
Ventajas del sodio
La mencionada compañía es líder en el mercado baterías en China y tiene el claro objetivo de convertirse en un líder global, para lo cual posee un ejército de científicos trabajando a toda máquina en la ciudad de Ningde. Dado su tamaño y reputación, es poco probable que CATL esté exagerando sus recientes declaraciones. Lo más seguro es que estas nuevas baterías, cuya composición química no ha sido revelada aun, sean basadas en un cátodo denominado azul de Prusia, que no es toxico y solo contiene hierro como metal. La gran ventaja está en el costo de los materiales usados, ya que tampoco involucra el uso de metales tales como cobalto o níquel y, además, no requiere electrodos de cobre.
Y aunque la densidad energética de las baterías de ion-sodio todavía es baja si se las compara con las baterías más avanzadas de ion-litio tales como las utilizadas en el Modelo 3 de Tesla con una densidad energética de 260 kWh , la industria automovilística esta siempre pensando en la relación costo y beneficio, por lo cual no sería extraño que para cierto tipo de aplicaciones sea mejor utilizar baterías de sodio. Una notable ventaja de las baterías de ion-sodio que CATL ha indicado es que estas pueden ser recargadas al 80% en 15 minutos.
Otra ventaja es que, gracias a su bajo costo, el almacenamiento de energías renovables a gran escala se podría lograr perfectamente con baterías de ion-sodio, a precios mucho mas aceptables que las baterías de ion-litio.
Estimaciones publicadas recientemente señalan la posibilidad de que los costos de producción de baterías de ion-sodio podrían incluso ser el 30% del costo de las baterías de ion-litio. Al mismo tiempo podría competir en el mercado de la electromovilidad en áreas donde baterías de tipo LFP son utilizadas actualmente.
Es interesante destacar como la evolución de las tecnologías puede tener un efecto en el mercado de nuestros recursos naturales. Como señalamos al inicio de esta columna, Chile ya tiene experiencia cuando hace ya 100 años atrás el salitre natural fue reemplazado por salitre sintético. Hoy podemos encontrarnos con la sorpresa que el litio podría ser reemplazado parcialmente por sodio y que esto al mismo tiempo podría reducir parte del consumo de cobre dedicado a la fabricación de los electrodos de las baterías.
Vivir solo de los recursos naturales y no participar de los desarrollos tecnológicos que suceden en el mundo no parece ser una solución óptima para el progreso de una nación.
Emilio Bunel Torrealba
Ingeniero Químico de la Universidad de Chile y Doctor en Química del Instituto Tecnológico de California. Con una larga trayectoria en Estados Unidos, trabajó en el prestigioso laboratorio de investigación en ciencia e ingeniería, Argonne. Actualmente es profesor titular de la Facultad de Química y Farmacia de la Pontificia Universidad Católica. La columna de ciencia es coordinada por el Proyecto Ciencia 2030-UC.