Las baterías del futuro

Nuestro país, que hoy se limita a exportar el litio como commodity, está en condiciones de participar de toda la cadena de producción de las baterías que revolucionarán la industria de la energía y del transporte tal como hoy las conocemos. Un anticipo del informe de Revista DEF

Una estación de recarga de baterías eléctricas en la Potsdamer Platz, de Berlín

“La sociedad está en condiciones de sustituir al petróleo como fuente primordial para hacer funcionar desde automóviles hasta electrodomésticos de consumo masivo. Para ello se necesita una eficiente manera de almacenar la energía, y las baterías de litio prometen serlo”, afirma Arnaldo Visintin, doctor en Ciencias Químicas que desarrolla su trabajo en el Instituto de Investigaciones Fisicoquímicas Teóricas y Aplicadas (INIFTA) de la Universidad Nacional de La Plata (UNLP) y en el Centro Científico Tecnológico (CCT) del Conicet con sede en La Plata. Es uno de los mayores expertos locales en la materia y no duda en afirmar que Argentina está a la altura del desafío y no tiene nada que envidiar a países como Alemania o la República Checa. Contamos con los elementos químicos –el principal de ellos, el litio–, tenemos la capacidad de procesarlos y estamos en condiciones de producir las celdas y ensamblar las baterías, completando de ese modo el ciclo de producción completo.

¿Qué son las baterías de litio?

“La batería es un acumulador de energía mediante el uso de procesos químicos”, nos explica Daniel Barraco, doctor en Física y exdecano de la FAMAF en Córdoba. En concreto, la batería está constituida por un conjunto de celdas conectadas entre sí, cada una de las cuales tiene básicamente tres partes esenciales: un cátodo, un ánodo y un electrolito. “En el caso de las baterías de ion-litio desarrolladas hasta hoy –ilustra este experto–, el cátodo puede contener sustancias tales como dióxido de cobalto-litio o fosfato de hierro-litio. El ánodo más común actualmente es de grafito. El electrolito es normalmente una sal de litio, como el hexafluoruro fosfato de litio”. Por su parte, el doctor Arnaldo Visintin aporta la siguiente información: “Una batería de ion-litio requiere de 0,3 kilogramos de metal litio y 1,5 kilogramos de carbonato de litio por kilovatio/hora de capacidad de batería. Si trasladamos el ejemplo a un auto híbrido promedio, este utiliza unos 1,5 kilogramos de litio y 7 kilogramos de carbonato de litio; mientras que uno totalmente eléctrico requiere de 9,3 kilogramos de litio y 13 kilogramos de carbonato de litio”. Este último compuesto, el carbonato de litio, debe contar con un grado de purificación del 99,4 por ciento, lo que cuesta entre 5000 y 6000 dólares la tonelada. “El precio de las baterías de ion-litio va desde los 300 hasta los 800 dólares por kilovatio/hora”, añade Visintin.

¿Qué es lo que nos interesa de la celda de las baterías? “La densidad de energía acumulada”, responde, por su parte, Daniel Barraco, quien también coordina el Laboratorio de Energías Renovables de la Universidad Nacional de Córdoba (LAES). Este investigador aclara que existen dos tipos de densidades. Por un lado, la densidad que surge de dividir la cantidad total de energía por el volumen de la celda; y, por el otro, la que surge del cociente entre la cantidad de la energía y el peso de la celda. “Lo que necesitamos en ambos casos es una alta densidad energética; es decir, poco peso y mucha energía, y mucha energía en poco volumen”, sintetiza. En cuanto a la autonomía que permiten lograr en autos eléctricos, según nos señala Visintin, las baterías de fosfato de hierro-litio legan a los 150 kilómetros, en tanto que las de óxido de litio-manganeso-cobalto (desarrolladas por el Argonne National Laboratory de EE. UU.) alcanzan los 300 kilómetros. Se espera que las de litio-azufre lleguen a los 400 o 500 kilómetros e, hipotéticamente, las futuras baterías de litio-aire (aún no desarrolladas) deberían estar en condiciones de superar los 800 kilómetros.

Otra variable a considerar es la vida útil de las baterías, que depende de la cantidad de ciclos de carga y descarga. Un ciclo se completa cuando se ha utilizado –es decir, descargado– la cantidad equivaente al 100 por ciento de la capacidad de la batería. En el caso de las baterías convencionales de ion-litio, se busca que tengan de 1000 a 1500 ciclos, lo que equivale a unos tres años en condiciones normales de uso (una carga y descarga diaria). La carrera en la que está involucrado el sistema científico-tecnológico argentino tiene en mira tres objetivos principales. Por un lado, obtener densidades de energía lo más altas posibles y lograr que las celdas tengan una cantidad razonable de ciclos de carga y descarga. Por otra parte, que la autodescarga y lo que se llama la capacity fading (“muerte súbita”) sea la menor posible, de manera de poder conservar la batería sin utilizar y que el producto no se arruine. Finalmente, nos comenta Barraco, se debe conseguir “que las celdas, y por ende las baterías, sean lo menos inestables posibles frente a golpes y sobrecargas; es decir, frente a accidentes como los que podría tener un automóvil o los que se podrían producir durante la fase de carga”.

De los salares al laboratorio

A partir de su creación en 2013, Y-TEC –la empresa pública conformada por YPF y el Conicet– se ha sumado a este desafío y ha buscado aglutinar los esfuerzos que se vienen realizando en distintos centros de investigación nacionales y provinciales. “El desarrollo de baterías de litio-ion es un objetivo muy importante para el país, por la demanda esperada y por la conveniencia de agregar valor al mineral”, afirmaba Juan Pablo Zagorodny, gerente de Energías Renovables de Y-TEC en una columna publicada en diciembre del año pasado en la revista institucional de la compañía. En el ámbito del Programa de Desarrollo de Tecnologías del Litio, Y-TEC patrocina tres proyectos: el primero de ellos apunta a la extracción y purificación de cloruro de litio a partir de un método ecosostenible; el segundo está dirigido a la producción de fosfato de hierro-litio; y el tercero, a la fabricación de electrodos y celdas elementales para las baterías, para lo cual se instalará una planta piloto en la refinería de YPF en La Plata

Si nos detenemos en la primera etapa del proceso, un gran avance ha sido el desarrollo por parte del INQUIMAE (UBA/Conicet) de un método de extracción de litio de salmueras por electrólisis utilizando la energía solar. ¿Qué es la electrólisis? La separación de los elementos de un compuesto por medio de la electricidad. Entre las ventajas de este método, es importante destacar: el bajo costo energético –200 kilovatios/hora por tonelada–; la rapidez del proceso –pocas horas, frente a los cerca de ocho meses que insume el método tradicional de evaporación de las salmueras–; el uso de energía limpia –no consume agua ni utiliza sustancias químicas–; y la obtención de un producto de alto valor agregado –el cloruro de litio, de alta pureza, grado batería–. Y-TEC obtuvo la licencia de este proceso, que le fue cedida por el Conicet, propietario de la patente que ya ha sido registrada en la Oficina de Marcas y Patentes de EE. UU. (USPTO).

En cuanto a las baterías propiamente dichas, que constituyen el punto final de la cadena del litio, el INIFTA ya ha diseñado el prototipo de una batería de 5 kilovatios/hora para un vehículo eléctrico. En una entrevista concedida al diario El Día de La Plata, el ingeniero Jorge Thomas, quien dirige el Laboratorio de Baterías de Litio del INIFTA, explicaba: “Lo que nosotros desarrollamos es un prototipo de batería de laboratorio; si bien sabemos que funciona, es necesario pasar ahora a una escala mayor. Eso es precisamente lo que vamos a hacer en Y-TEC: producir el material activo de las baterías, ya no en unos pocos gramos, sino por kilos, el paso previo para dominar la escala industrial y arrancar con la fabricación de las baterías de litio en el país”.