El ritmo de vida actual exige cada vez más eficiencia en el uso de la energía cuando no estamos conectados a la red eléctrica: más duración de los dispositivos electrónicos con una simple carga, (y cargas más rápidas también), mayor autonomía en los vehículos eléctricos, menores costos de fabricación de estos sistemas y menores huellas ambientales en su producción. Todo esto está forzando a que los sistemas de almacenamiento de energía, principalmente las baterías, evolucionen constantemente y que lo hagan cada vez más rápido. El litio, está jugando un rol protagónico en este tema desde hace algunas décadas ya que forma parte de las cotidianas baterías de ion-litio, las cuales son una tecnología muy eficiente que está logrando sortear la mayoría de los retos de la actualidad pero que están acercándose a su máxima capacidad teórica, la cual, nos empieza a quedar corta. En Argentina, la tenencia de este recurso nos hace dar la sensación de que somos actores relevantes a nivel mundial, pero ¿es realmente así?, además… ¿cuánto durará este “boom del litio” y cuáles son las tecnologías que se utilizarán en el futuro? Teniendo el “recurso natural” en el territorio nacional hay oportunidades económicas y de desarrollo, eso está claro. Pero ¿por dónde pasan y hasta cuándo duran?
Salvo raras excepciones, todo el mundo es consciente del acelerado calentamiento global, fomentado por la acción humana, que nos fuerza día a día a pensar alternativas a nuestro ritmo de vida. Una posibilidad, quizá la única sostenible a largo plazo, es el decrecimiento, pero, como dice el meme, no creo que estemos preparados como sociedad para esa discusión. Parece que comprar productos de estación que caducan en pocos días, que necesitan estar congelados y cruzar océanos, es indispensable para mantener una alta calidad de vida. Son ejemplos de esta situación, entre muchos otros, la necesidad de pasar frío en verano y calor en invierno, dentro de los hogares, puestos de trabajo y centros comerciales. Sin embargo, cualquier posibilidad que desacelere el calentamiento global debe pensarse bajo el concepto de responsabilidades comunes pero diferenciadas, donde se ponderen las contribuciones a la contaminación de los países más desarrollados, de los países con mayor aporte acumulado histórico y de los sectores económicos de mayor poder adquisitivo.
Otra alternativa para paliar la crisis ambiental que estamos viviendo parece ser dejar de emitir dióxido de carbono a la atmósfera: descarbonizar. Esencialmente, se trata de dejar de utilizar petróleo para mover los engranajes del sistema económico en el que vivimos. Es aquí donde surgen las energías renovables, limitadas en muchos casos por la intermitencia. Léase, la noche para la energía solar, las horas calmas para la energía eólica, etc. A esta limitante se deben sumar la variabilidad diaria y estacional, las condiciones climáticas y la ubicación geográfica de estas fuentes.
Contaminación, menos uso de petróleo, uso de energías renovables, intermitencia, ¿cómo sigue esta cadena “lógica”?: Acumulación de energía. Cuando disponemos de los medios para generar la energía lo hacemos y cuando no, usamos la que logramos almacenar.
Para tomar dimensión, la energía hidroeléctrica fue la mayor fuente de energía eléctrica renovable del mundo y la tercera fuente de generación de energía eléctrica del mundo (16%) en 2020, superada sólo por el carbón (35%) y el gas (23%). La energía nuclear representó sólo el 10%. Se calcula que el almacenamiento de energía por bombeo en las centrales hidroeléctricas representa el 95 % del total de la energía eléctrica producida y almacenada a nivel mundial.
Paréntesis: Europa en 2022 comenzó a clasificar al gas y las energías nucleares como “energías verdes”, verdes no de inmaduras, ¡sino de ecológicas!. Esta clasificación permite, entre otras cosas, competir con la energía solar y la eólica para recibir los mismos tipos de subsidios que reciben las demás energías que no producen gases de efecto invernadero.
Hasta acá, podemos plantear algo así como que, si tenemos más centrales hidroeléctricas, parques eólicos, campos fotovoltaicos o solares térmicos y demás tecnologías no asociadas a combustibles fósiles (con las nucleares ahora incluidas), aumentamos el uso de energía eléctrica proveniente de fuentes renovables, contaminamos menos y desaceleramos el calentamiento global. OK, funciona. Pero entonces, ¿Cómo movemos, tanto a personas como a objetos? Lo habitual es liberar la energía química almacenada en los enlaces de las moléculas de derivados del petróleo, mediante su oxidación (con el oxígeno del aire) y alguna chispa o presión, es decir, pisar el acelerador de un vehículo con motor a combustión, mientras genera una gran cantidad de gases contaminantes. Pero, en este nuevo escenario, si eliminamos el petróleo, necesitamos otra forma de almacenar energía para tenerla disponible en el vehículo.
Posiblemente el reemplazo “más lógico” sea otro combustible que no provenga del petróleo, como el hidrógeno o, para usar la nomenclatura actual, el hidrógeno verde. En términos químicos es exactamente el mismo elemento (H), que forma la misma molécula (H2) con la única diferencia de que, en este caso, el hidrógeno verde es producido mediante la utilización de energía proveniente de fuentes renovables. Llevamos hidrógeno en nuestro vehículo, lo “quemamos” junto con el oxígeno (O2) del aire, generamos agua (H2O) que se elimina por el escape y listo. ¡Fantástico! No me voy a detener en detallar los diversos desafíos tecnológicos que aún tienen estos dispositivos, simplemente comentar que es una tecnología muy prometedora, pero aún en pleno desarrollo y que, si bien ya circulan y se comercializan vehículos con esta tecnología, aún queda mucho camino por recorrer. La seguridad implicada en transportar un gas como el hidrógeno en un vehículo es uno de los problemas fundamentales. Además, está el problema de su distribución. Basta con decir que, a la fecha, solo hay unas 375 estaciones de carga de hidrógeno en todo el mundo. España, por ejemplo, cuenta con 6 estaciones, de las cuales solo 3 son de uso público. Para 2030, se plantea construir unas 100. En Argentina existen proyectos, pero aún no están en funcionamiento.
Fig. 2. a) Tabla periódica de los elementos químicos. b) Representación esquemática de la abundancia de los elementos en la corteza terrestre.
Otra forma de mover nuestro vehículo sin derivados del petróleo es transportar de alguna manera, junto con el vehículo, la energía renovable que generamos previamente; por ejemplo, en las centrales hidroeléctricas. Es aquí donde aparecen las baterías.
Segundo paréntesis: Un razonamiento similar al que se hizo con los vehículos se puede hacer con los dispositivos portátiles, ya que es básicamente lo mismo a una escala menor. En ambos casos, lo que se busca es tener autonomía en un dispositivo, llámese automóvil o teléfono, y que pueda estar desconectado de un suministro de energía permanente.
Como sociedad sabemos mucho de baterías y estamos muy familiarizados con su idea. Desde la Pila de Bagdad, que tiene más de dos mil años, hasta la actualidad siempre se ha investigado al respecto. Si nos ponemos a pensar, acumular energía (en este caso energía química) es una forma de controlar la naturaleza y eso lo hemos intentado siempre. Una batería es, básicamente, una bomba, pero de liberación de energía controlada (Dr. Ernesto J. Calvo dixit).
La batería de plomo/ácido, inventada en 1859 por el físico francés Gastón Planté, sigue siendo la batería más utilizada en el mundo, ya que es la fuente de energía para el motor de arranque de todos los vehículos de combustión interna. Reemplazó a la manivela ubicada en el frente del coche que se hacía girar manualmente para mover el cigüeñal y así poder encender el motor. Incluso, los primeros vehículos completamente eléctricos de la historia, allá por el final del siglo XIX, las usaron como fuente de energía motriz (ver Flocken Elektrowagen, Alemania, año 1888). El alto peso atómico del plomo (207 u) hizo y hace que sea un elemento poco adecuado para la fabricación de baterías para ser utilizadas como fuente de energía en electromovilidad.
Por su parte, las baterías de ion-litio, tienen su origen en ideas que se pueden rastrear hasta comienzos del siglo XX, en los trabajos de Lewis y Keyes, en donde ya se hablaba de las posibilidades que brindaba un metal con estas características. En la década del sesenta se desarrolló la química de la intercalación que brindó soluciones tecnológicas al almacenamiento de energía, en donde el litio tuvo un papel fundamental. Asimismo, la crisis del petróleo de los setenta les dio un buen empujón a estos desarrollos, hasta que una serie de accidentes, producidos por las baterías de la empresa Moli, frenó los avances logrados. La caída del precio del petróleo en los ochenta y una serie de desafíos tecnológicos prolongaron por una década su comercialización, hasta que la empresa Sony lo logró en 1991. El premio Nobel de química de 2019 ilustró el derrotero que atravesaron estas baterías (aunque con algo de injusticia, ¡como siempre!). El Nobel fue recibido por: Stanley Whittingham (Inglaterra, desarrolló la primera batería de litio), John B. Goodenough (Estados Unidos, desarrolló los cátodos de intercalación de alta energía), y Akira Yoshino (Japón, eliminó al litio metálico puro con el uso de coque de petróleo como ánodo, e incrementó la seguridad de las baterías). Para compararlo con el plomo, el litio tiene un peso atómico de 7 u, unas 30 veces menor.
En 1997 apareció el Toyota Prius y, por primera vez en muchos años, se dio un salto tecnológico en materia de electromovilidad aplicada a vehículos personales con la combinación de un motor de combustión interna con un motor eléctrico y una batería recargable de níquel-metal hidruro (NiMH, tecnología de base comercializada desde 1989). Trece años más tarde, Chevrolet dio el siguiente paso con el lanzamiento al mercado de Bolt, el primer vehículo híbrido enchufable (Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV. Motor de combustión interna más motor eléctrico). El Bolt, de unos 200 kg de baterías de ion-litio de 16 kWh, le permitía una autonomía eléctrica entre 60 y 80 km, a un valor de U$S 40.000. Dos años antes, en 2008, salió al mercado el Tesla Roadster, el primer vehículo totalmente eléctrico de nuestra era, con unos 450 kg de baterías de ion-litio y una autonomía entre 320 a 400 km, pero a un costo aproximado de U$S 100.000. Si bien la evolución de la electromovilidad avanza a pasos agigantados, los vehículos eléctricos continúan siendo excesivamente costosos y sólo pueden acceder a ellos una mínima parte de la población mundial, concentrada en los países más ricos. Así es el caso de Noruega, que logró aumentar las ventas de vehículos eléctricos a partir de medidas como exenciones fiscales, reducción de costos de peaje y otros incentivos económicos o privilegios de acceso. En particular, las exenciones al IVA e impuestos de matrículas se impusieron hasta el 2022, y a partir del 2023 se recortaron estos beneficios y, rápidamente, se notaron los efectos negativos en la abrupta baja de las ventas de los vehículos eléctricos. Para tener una idea, un Tesla Model S tiene un valor de entre U$S 80-140 mil y una autonomía de 640-800 kilómetros, un Chevrolet Bolt EV tiene un precio de unos U$S 36-40 mil con 417 kilómetros de autonomía y un Nissan Leaf hace unos 241-364 kilómetros y tiene un valor de U$S 30-40 mil). En Argentina se fabrican algunos automóviles eléctricos, mayoritariamente pequeños y centrados principalmente en cortas distancias de recorrido y con funciones de utilitarios, algunos ejemplos son: CR-2 (fabricado en Misiones) 150 km de autonomía y valor aproximado desde U$S 10 mil; Tito (San Luis), con diferentes modelos, desde una versión base, con 100 km de autonomía y un valor de U$S16 mil, hasta una versión más desarrollada, que alcanza una autonomía de 300 km, por algo menos del doble de su precio; Volt Motors (Córdoba) con 80 km de autonomía y un valor entre los U$S 15 y 25 mil; Sero Electric (Buenos Aires) con opción de baterías de litio o plomo y distintos modelos, que incluyen utilitarios, con un costo aproximado de alrededor de los U$S 20 mil y autonomías de entre 40 y 100 km; o GreenGo (Santa Fe), que es un vehículo utilitario unipersonal con 40-80 km de autonomía.
A más de 30 años de su comercialización, las baterías de ion-litio alcanzaron lo que se llama una madurez tecnológica. Les estamos sacando casi el máximo provecho que, en teoría, se les puede sacar. Así y todo, no parece alcanzarnos. Diversas investigaciones en todo el mundo están dirigidas a “mejorar” en donde el término incluye todas las mejoras que nos podamos imaginar, entre ellas: costo, sostenibilidad, eficiencia, seguridad, etc. como así también la posibilidad de reemplazarlas, tal como hicieron estas baterías con las de plomo/ácido, luego de más de un siglo de su aparición. Pensar que algo que tardó 100 años entre los siglos XIX y XX, tarde unos 40 o 50 años ahora, no suena descabellado. ¡Todo se acelera! Téngase en cuenta que las ventas de baterías de ion-litio superaron a las de plomo/ácido por primera vez en la historia hace un par de años.
Prácticamente el único acuerdo que hay entre investigadores especialistas en el campo del almacenamiento de energía (y puntualmente de las baterías) es que la gran variedad de requisitos de los dispositivos que van a necesitar sistemas de almacenamiento de energía generará una inevitable diversidad de baterías, cada una de ellas de naturaleza y tecnología diferente, pero acordes a cada uno de los requerimientos energéticos. Litio-oxígeno, litio-azufre, litio-selenio, sodio-azufre, sodio-oxígeno, zinc-oxígeno, son algunas de las tantas tecnologías en estudio que ofrecen, desde los cálculos teóricos, capacidades muy superiores a las baterías de ion-litio, entre otras cosas debido a que la energía que entregan proviene de una reacción química y no de una intercalación, como es en el caso de las baterías de ion-litio. Asimismo, las baterías de iones de potasio, calcio, sodio, magnesio, zinc o aluminio, son también otros ejemplos de baterías con la misma tecnología que las de iones de litio, pero con otros elementos de la tabla periódica. Cada una con sus pros y sus contras. En este punto también cabe una mención especial a la gran familia de las baterías de flujo, de constitución algo diferente a las baterías mencionadas, pero que son únicas por la posibilidad de desacoplar su potencia (velocidad de entrega de energía) de su capacidad (cantidad de energía). Aunque no serían de aplicación para los dispositivos portátiles o para la automovilidad, se podrían utilizar para almacenamiento estacionario, por ejemplo, en centrales de producción de energía .
Estamos en un momento histórico muy cambiante en cuanto a la temática del almacenamiento de energía y de las baterías. Además de factores como la sustentabilidad y los costos, la accesibilidad del recurso parece ser uno de los elementos que podrá definir el futuro del almacenamiento en baterías. Esto se ve fuertemente en la actualidad con el litio y su escasa distribución en el planeta y, con más inconvenientes, en el caso del cobalto, que es utilizado en los cátodos de las baterías de ion-litio del tipo NMC (Níquel-Manganeso-Cobalto). La explicación es que más del 60% de todo el cobalto en circulación, que está dentro de las baterías actuales, fue extraído en la República Democrática del Congo. El cobalto es un subproducto de la extracción del níquel y del cobre, cuya extracción hizo y hace que el país viva crisis de todo tipo (caso similar al producido por el coltán, en el mismo país). Es con este mismo argumento, pero por la positiva, que las baterías que utilizan al sodio en su composición se perfilan como actores casi lógicos en el escenario del futuro de la electromovilidad y los dispositivos portátiles (nota aclaratoria: el sodio es uno de los dos elementos que forman el cloruro de sodio, más conocido como sal de mesa; basta tener salares o acceso al mar para obtenerlo). Las baterías de ion-sodio y las baterías de sodio-azufre son dos de las tecnologías con grandes avances que incluyen a este elemento (el azufre también es un elemento económico y abundante en la naturaleza). Cabe destacar que China ya fabrica vehículos con baterías de ion-sodio, y aseguran que, además de ser más económicas, se cargan más rápido e incluso funcionan mejor a bajas temperaturas. Por ahora su desarrollo está planteado para vehículos de corto recorrido.
Volviendo al país, cabe mencionar que Argentina cuenta con menos del 0,1% del parque automotor eléctrico y sólo unas 200 estaciones de carga, otro gran problema, del que poco se habla (y no sólo en Argentina). Abastecer ciudades en donde todos los automóviles sean eléctricos, necesitaría de una infraestructura que hoy ninguna ciudad del mundo posee.
En este contexto de la electromovilidad mundial, nos situamos en Argentina, donde el litio representa uno de los “recursos” más preciados del momento. En la actualidad, parece que estamos dando algunos primeros pasos, dentro de un mercado que lleva 30 años de recorrido a nivel mundial. De esta manera, nos encontramos con una serie de desafíos, entre ellos: lograr transformar el litio en capacidades científicas e industriales, aumentar fuertemente la participación de empresas nacionales en el sector, y obtener condiciones ambientales sostenibles para todos los procesos involucrados en la cadena de este recurso, con el objetivo de incrementar la transparencia y fortalecer nuestra soberanía territorial y científico-tecnológica.
Casi a modo de titulares, se dan algunos números para contextualizar: tanto el cobalto como el litio representan, cada uno, aproximadamente un 10% del costo final de la batería de ion-litio, si se tiene en cuenta que, en el 2021, tras la superación de la demanda a la oferta, el precio del carbonato de litio (incluido su transporte por mar) subió más de un 400% y su producción se triplicó en los últimos diez años. La fabricación de estas baterías, sumado al desgaste del equipamiento de producción, significa poco más de un 20%. El costo de producción de estas baterías disminuyó un 98% en las últimas tres décadas y hoy en día representa entre un 35-40% del valor de un vehículo eléctrico (la mitad que una década atrás).
Los números en torno al litio son contundentes y hablan por sí solos. Está claro que hay una oportunidad, pero esa oportunidad no es nueva, empezó hace unos cuantos años y no necesariamente durará para siempre. Además, que el recurso se encuentre en nuestro territorio no da ninguna garantía económica (ni política), más bien lo contrario, si no se procede con cautela (basta con mirar la República Democrática del Congo). Entre extraer el “recurso” para venderlo a granel y, si se logra, fabricar una batería de ion-litio competitiva hay un amplio abanico de posibilidades para sacar provecho a lo que poseemos como país. Con relación a las baterías: Sales de litio, materiales activos para cátodos y litio metálico para las baterías futuras, son algunos ejemplos de productos que le agregarían un valor al litio. Más allá de las baterías, otros ejemplos son: psicofármacos, grasas, vidrios, aleaciones y hasta isótopos de litio con aplicaciones tanto en energía nuclear como en el campo aeroespacial.
Tiene que quedar claro que tener este “recurso natural” no cambiará la economía del país, no moverá el PIB, y que no se compara ni se comparará con lo producido por el petróleo. La metáfora del oro blanco, en mi opinión, siempre le quedó grande. Y lo más importante, es que el aporte que pueda hacer será cada vez menor, a medida que pasen los años y avance la minería urbana del litio, junto a la diversificación de tecnologías de almacenamiento de energía. La industrialización en torno al litio podría favorecer nuestro desarrollo y crecimiento, y hacerlo de una manera más sólida y permanente. Más aún, si se plantea una industria versátil y que se acomode fácilmente con el tiempo a las diferentes necesidades. Si las baterías del futuro son, por ejemplo, las basadas en sodio (sólo por poner un ejemplo), sería mucho más fácil adaptar, llegado el caso, toda la industria ya desarrollada hacia otra tecnología de baterías, que intentar redireccionar una minería que aportaría un metal ya obsoleto o desvalorizado.
Quedan muchos temas importantes por desarrollar, pero se termina la nota: los verdaderos dueños de las tierras en donde se encuentran los elementos, que son las poblaciones que las habitan (ya sea en la Puna o en la Rep. Democrática del Congo); las leyes que incentivan la compra de automóviles eléctricos y que ponen fin a la venta de automóviles con motores de combustión; el reciclado de las baterías y su posible segundo uso; los nuevos diseños de baterías, ya preparadas para ser recicladas más fácilmente; la minería urbana y la economía circular; el abastecimiento de energía eléctrica hacia las ciudades y hacia los usuarios; ciudades con redes de energía inteligentes; etc. Investigar sobre los temas que están alrededor del litio y sobre todo comprenderlos, nos puede dar una visión más amplia e integral de lo que está pasando en la actualidad, como estamos posicionados como país y además, darnos algunas pistas sobre lo que puede pasar en el futuro.
Como dice el refrán, “el mejor momento para plantar un árbol fue hace 20 años; el segundo mejor momento es ahora”. Aún estamos en la estación del litio, pero el tren, inevitablemente seguirá…
Licenciado en Química (2008, UNRC) y Doctor en Química (2012 UNRC). Postdoctorado (2013-2016, entre INQUIMAE-UBA e ICMAB, Barcelona, España). Investigador Adjunto del CONICET con lugar de trabajo desde 2017 en el Centro de Investigación y Desarrollo en Materiales Avanzados y Almacenamiento de Energía de Jujuy – CIDMEJu (CONICET, UNJu, Gob. de la Prov. de Jujuy), ubicado en Palpalá, Jujuy, Argentina. Área de trabajo: materiales y catalizadores con aplicaciones en el almacenamiento de energía: baterías de litio-azufre, sodio-azufre y litio-oxígeno. Así mismo, colabora permanentemente con proyectos relacionados con capacitores y baterías de diversa tecnología. Actualmente se encuentra trabajando temporalmente en la Universidad de Córdoba, España.
Ciencia Propia
Ruben Geneyro