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TRANSICIÓN ENERGÉTICA – BATERÍAS : China crea baterías que prescinden del litio

El pasado 29 de julio el gigante chino de baterías  Contemporary Amperex Technology Co Ltd (CATL)  presentó una de las primeras baterías de iones de sodio del mundo. Según el Instituto de Investigación de CATL, su primera batería de iones de sodio puede alcanzar una densidad de energía de 160 Wh / kg, actualmente el nivel más alto del mundo, y es capaz de cargarse al 80 % a temperatura ambiente en 15 minutos. Y ya tienen en vista una segunda generación de baterías de iones de sodio con una densidad energética de 200Wh/kg. Estas baterías pueden llegar a sustituir por completo las baterías de litio. China ve un gran potencial en las baterías de sodio e incluye esta tecnología en su plan nacional de la energía. «Una de las razones importantes por las que CATL desarrolla baterías de iones de sodio es que existe un alto riesgo de seguridad en la cadena de la industria de baterías de iones de litio debido a la alta dependencia del país de fuentes extranjeras», señalaron analistas chinos.

Una nueva generación de baterías ya permite hacer la transición energética

China se pone al frente de la carrera por una de las tecnologías fundamentales en la revolución energética

MARC BELZUNCES / VILAWEB

La tecnología de baterías de litio actual ya permite hacer la transición energética con renovables y prescindir del uso de combustibles fósiles. Sin embargo, las baterías actuales se basan en las que se inventaron los años noventa para los ordenadores portátiles y más tarde para los teléfonos móviles y algunos electrodomésticos. Empresas como Tesla las usaron para los coches porque eran disponibles y más baratas. Sin embargo, algunas empresas y centros de investigación académica tratan de mejorar sus características.
Las esperanzas están puestas en las baterías de estado sólido, que ya funcionan en los laboratorios, pero que no consiguen llevarlas por el momento a una escala industrial debido a algunas dificultades en la fabricación y los costes derivados. Asimismo, estos últimos meses se han anunciado nuevas baterías con mejoras muy destacables. Desde utilizar elementos más comunes para la fabricación hasta precios más bajos, pasando por una vida útil más larga y una velocidad de carga más rápida. A continuación repasamos las principales alternativas que disputarán la hegemonía de las actuales baterías de litio.

La principal alternativa: baterías de litio y hierro

No todas las baterías de litio son iguales. Presentan composiciones químicas diferentes que les dan propiedades diferentes. Las tradicionales y más utilizadas por las empresas automovilísticas occidentales son las llamadas NMC. Las siglas hacen referencia a los elementos, aparte del litio, del que son compuestas: níquel (hasta el 80% de la batería), molibdeno y cobalto. En general, las automovilísticas usan este tipo de química porque es la que ofrece una densidad energética más grande -más allá del precio. Este es un aspecto primordial en los coches y las motos, porque el espacio para la batería es limitado y reducido. A mayor densidad energética -más electricidad cargada por unidad de volumen- más autonomía tendrá el vehículo.

Hoy en día se construyen muchas fábricas de producción de baterías en todo el mundo para abastecer la industria automovilística, en pleno proceso de electrificación, y a un segundo mercado tan importante, o más: las baterías para los hogares con placas solares y para las centrales eléctricas renovables. La industria tiene dificultades para encontrar suficiente níquel. Según el Servicio Geológico de EEUU, hay suficiente níquel para cubrir las necesidades actuales y futuras. Pero con el incremento de la demanda, establecer nuevas minas no es un proceso rápido, sino que puede tardar años. Esto ha forzado a las empresas a buscar alternativas que empleen materiales disponibles fácilmente en el mercado, y han optado por las baterías LiFePo (litio, hierro y fosfato), que no usan níquel ni cobalto, un elemento caro y polémico. Un paso que seguirán muchos más fabricantes. Sin embargo, no se puede decir que sea una tecnología nueva. En concreto, hay que buscar su origen en la actual primera potencia mundial en baterías: China.

Las baterías LiFePo presentan ventajas en relación con las NMC, aunque también inconvenientes. En primer lugar, contienen hierro, un elemento muy común y barato. Esto hace que sean más económicas que las basadas en níquel. El principal problema de las baterías LiFePo es la baja densidad energética, comparadas con las de NMC, que hace que los vehículos que las incorporan tengan menos autonomía. Por eso hasta ahora se han empleado principalmente en autobuses, donde hay más espacio disponible para poner baterías.

China ha invertido mucho en la electrificación de la red de autobuses -el 99% de los autobuses eléctricos mundiales circulan en el país asiático. El resultado de ello es que China domina completamente esta tecnología alternativa -de hecho, no utiliza las baterías NMC-, y los países occidentales han hecho al revés: se han centrado en las NMC.

Sin embargo, la densidad energética de las baterías de hierro y litio ha mejorado con los años, y hoy incluso empresas como Tesla, al aterrizar en China, han optado por esta química para su gama de autonomía estándar, dejando las NMC para las versiones con más autonomía.

Un segundo mercado capital donde la densidad energética no es tan importante es el llamado almacenamiento estacionario, en contraposición mercado móvil de los vehículos. Son las baterías que se utilizan en las centrales de producción renovables y en los hogares con autoproducción solar. Aquí generalmente no hay problema de espacio, y el hecho de que las baterías ocupen más espacio para almacenar la misma cantidad de energía se compensa con un precio más bajo. De hecho, la expansión en la producción de las baterías LiFePo ha hecho que este año el precio se haya reducido prácticamente a la mitad. Es en la actualidad la tecnología preferente para los hogares con placas solares, lo que genera que muchas familias que habían descartado adquirir baterías debido al elevado coste y una dudosa amortización económica, ahora empiecen a pensar en hacerlo.

Además, las baterías de litio y hierro presentan otra ventaja: tienen una vida útil más larga, porque resisten más ciclos de carga y descarga. Si las NMC admiten entre 1.500 ciclos y 5.000, las LiFePO pueden doblar estos valores. Por lo que son más indicadas en los hogares, donde típicamente las baterías deben hacer un ciclo entero cada día, a diferencia de los vehículos, que hacen normalmente un ciclo cada semana. Además, las últimas evoluciones de las LiFePO mejoran la gestión de la temperatura, alcanzando menos y dificultando la aparición de fuego -una de las principales preocupaciones de los fabricantes de automóviles-, en comparación con las NMC. También presentan inconvenientes: la gestión de la carga es más difícil en las baterías de litio y hierro. Mientras que con las de litio y níquel hay una relación directa entre el voltaje y el porcentaje de carga -a menos voltaje, menos carga-, las de litio y hierro presentan el mismo voltaje con cargas entre el 10% y el 90% generalmente .

En resumen, las baterías LiFePo dominarán el mercado de las baterías durante los próximos años, tanto para coches con autonomía estándar, como para autobuses y baterías estacionarias. El desafío chino ha dado fruto mejorando la densidad y la gestión electrónica de la carga. Occidente, que ha optado por la tecnología tradicional NMC, quedará progresivamente restringido.

Baterías de carga ultrarrápida: titanato y grafeno

Como hemos visto, las baterías de hierro y litio hoy por hoy son las llamadas a dominar el mercado. Una situación que podría no durar mucho si una nueva tecnología tiene éxito: la del litio titanato. Es la última generación de baterías de litio disponible en el mercado. La principal ventaja es la gran velocidad de carga: entre 6 y 20 minutos, una mejora muy notable en relación con las LiFePo y NMC. Además, no afecta a su vida útil, que puede llegar a 15.000 ciclos, superior a las de las tecnologías que hemos visto. El principal inconveniente es la densidad energética, y el precio, que es más caro por ser una tecnología nueva. Hoy los nuevos autobuses eléctricos de Moscú las utilizarán, porque cargar rápidamente es fundamental en este tipo de vehículos. Si pasa como con las de litio y hierro y mejoran su densidad energética, pueden ser una de las baterías preferidas en muchos usos, dada su velocidad de carga y la vida útil. Es difícil que pueda competir en precio con las de hierro, porque el titanio es un elemento más caro.

En cualquier caso, es una muestra de la evolución del mercado de baterías a medida que se expande el uso: pasamos de tener una química para todo, a tener varias químicas que según las características y el precio son más indicadas para unos usos concretos.

Sin embargo, estas últimas semanas hemos visto anuncios muy prometedores. Tanto, que incluso las novísimas baterías de litio titanato pueden ser superadas rápidamente. No hace mucho, el fabricante chino GAC Aion -no olvidemos que China es la primera potencia en baterías– ha anunciado que pondrá a la venta el modelo Aion V este otoño, que con baterías de grafeno puede cargar de 0% a 80% en ocho minutos, y de 30% a 80% en cinco. Todo ello sin dañar la batería. Este tiempo es uno de los grandes objetivos de los fabricantes de vehículos eléctricos, ya que cinco minutos es el tiempo que se tarda típicamente en repostar con un coche de combustión. Además, el nuevo coche tiene una autonomía de 1.000 kilómetros, y muestra una densidad energética no vista hasta ahora. De momento, y a diferencia de las de litio titanato que ya son una realidad, las de grafeno del fabricante chino son tan sólo un anuncio. Pero habrá que esperar muy poco para saber si realmente se ha alcanzado esta meta, y conocer las características concretas de estas nuevas baterías potencialmente revolucionarias, aparte de su precio.

Prescindir del litio: sodio y aire

Las baterías de litio evolucionan rápidamente. El litio es un elemento muy común y fácil de extraer, pero como el níquel, actualmente hay problemas para dimensionar la industria minera y proporcionar suficiente litio debido al gran incremento de demanda. Pero ¿y si se pudiera usar un elemento más común? El 29 de julio la empresa china CATL presentaba la primera generación comercial de uno de los santos griales de la investigación de baterías: las basadas en sodio. El sodio se puede obtener de la sal común -cloruro de sodio- y es un subproducto de procesos industriales que obtienen cloro -utilizado en la lejía, por ejemplo-, y los residuos de explotaciones mineras como son las minas de potasa y las plantas desalinizadoras. Aparte de poder fabricar baterías gracias a uno de los elementos más comunes, ayudaría a reducir, reaprovechar y dar valor a unos residuos con un impacto ambiental importante.

Esta primera generación de baterías de sodio presenta una densidad energética por debajo de las de litio, pero mejor que las de titanato. La empresa china espera mejorar estos valores las próximas generaciones. Además, puede cargar al 80% en tan sólo quince minutos, y funciona mejor a temperaturas muy bajas, uno de los grandes problemas de las baterías de litio. Falta saber más detalles, como el precio final y la vida útil -número de ciclos-, pero puede ser una tecnología revolucionaria. Puede llegar a sustituir por completo las baterías de litio en los hogares y en las centrales renovables. Un mercado que será más grande que el automovilístico, y rebajará notablemente la demanda de litio y níquel, si es que no consigue sustituirlos en este sector también. Porque, ¿qué hay más común que la sal marina?

Baterías de hierro y aire

Bueno, hay un elemento aún más común: el aire. A finales de julio Form Energy (una start up estadounidense creada en 2017) anunciaba la disponibilidad comercial de baterías de aire-hierro. En este caso, esta nueva tecnología se destina a las centrales de producción eléctrica, porque las baterías ocupan mucho espacio – tienen una densidad energética muy baja. Pueden producir electricidad durante cien horas seguidas (cuatro días) y con una décima parte del coste de las baterías de litio, 20 dólares / kWh. Difícilmente otra tecnología podrá competir en precio con ésta, porque hablamos de dos elementos muy abundantes. Además, el hierro se puede reciclar fácilmente. Las baterías de aire-hierro pueden representar una disrupción en un sector, el de la producción eléctrica, que requerirá baterías inmensas para alimentar ciudades enteras.

Las baterías de aire-hierro pueden representar el paso definitivo para pasar a un sistema energético basado íntegramente en renovables, prescindiendo completamente de las centrales de gas y de la energía nuclear.

La investigación en baterías continúa

Casi todo el mundo tiene claro hoy en día que tendremos un sistema energético basado completamente en generación renovable. Las baterías son una tecnología clave para lograrlo, y es por eso que estos últimos años se ha hecho una fuerte inversión en investigación que ahora da frutos. Por un lado, bajar su coste, utilizando materiales más comunes. Por otra parte, mejorar sus características técnicas. Que carguen más rápidamente, que aguanten mejor las temperaturas extremas, y que sean más seguras y no causen incendios. Hasta ahora la atención se había puesto en las baterías de estado sólido, una tecnología que no acaba de llegar debido a las dificultades de fabricación y de su elevado coste. Sin embargo, estos últimos meses hemos visto el anuncio y la maduración de una serie de tecnologías que mejoran notablemente estas áreas. Estamos en el momento inicial de la expansión del mercado de baterías y la búsqueda no se detendrá aquí.