Estados Unidos avanza hacia la construcción de baterías para vehículos eléctricos en casa

Gregorio Barbero

La historia de la ciencia de las baterías está llena de cortocircuitos, explosiones y, ocasionalmente, historias de redención. Una de ellas es la historia de la batería de litio, hierro y fosfato.

El LFP, como se le conoce (la “F” se refiere al nombre latino del hierro) fue descubierto como un buen material para baterías en el laboratorio de John Goodenough de la Universidad de Texas. Fue (y es, a los 99 años) un legendario científico de baterías, mejor conocido por diseñar el cátodo (la estructura cristalina que atrapa y libera iones de litio a medida que la batería se carga y se usa) que condujo a la primera batería comercial de iones de litio en 1991. La LFP, que surgió unos años después, parecía tener muchas ventajas sobre su predecesora. El cátodo era estable y duradero, y potencialmente adecuado para impulsar coches eléctricos. Y a diferencia del cátodo anterior de Goodenough, no dependía del cobalto, un metal relativamente caro, sino del hierro común y corriente.

Pero cuando Venkat Srinivasan comenzó a trabajar en LFP como postdoctorado a principios de la década de 2000, sus asesores le sugirieron que pensara en hacer otra cosa. “Dijeron: '¿Por qué se molestan con esto?'”, recuerda. A pesar de todas sus promesas, la LFP no parecía tener un futuro brillante. El gobierno se esforzaba por cultivar una industria de baterías LFP junto con un nuevo mercado para los coches eléctricos, invirtiendo dinero en la causa. Pero los coches eléctricos no estaban despegando tan rápido como se esperaba, por lo que apenas había mercado para baterías que los alimentaran. Mientras tanto, LFP estaba siendo superada por recetas de baterías más nuevas que combinaban cobalto con níquel para acumular más energía.

Qué extraño es entonces que 20 años después la LFP esté en todas partes. Gracias a Elon Musk. Durante el año pasado, el CEO de Tesla anunció un cambio importante hacia la antigua química de las baterías, una necesidad, en gran parte, porque las baterías ahora tienen una demanda tan alta que la industria se dirige a un abismo en el suministro de materiales compuestos principalmente de níquel y cobalto. . El socio de Tesla en este esfuerzo es CATL, el enorme fabricante de baterías de China, donde la tecnología fue cuidada a lo largo de los años y floreció silenciosamente, mejorando hasta el punto de que las baterías LFP ahora pueden alimentar adecuadamente un sedán familiar. Como la mayoría de las principales químicas catódicas que todavía se utilizan hoy en día, la batería se desarrolló en un laboratorio estadounidense o europeo, pero su futuro está directamente en China, que hoy fabrica el 90 por ciento de las celdas de batería LFP, según Benchmark Minerals. Para Estados Unidos, “la LFP es una oportunidad perdida”, afirma Srinivasan.

Srinivasan, que ahora es director del Centro Colaborativo para la Ciencia del Almacenamiento de Energía del Laboratorio Nacional Argonne, lidera una iniciativa del gobierno de Estados Unidos destinada a evitar errores similares. El programa, llamado Li-Bridge, se formó este otoño después de que la Administración Biden estableciera el objetivo de que el 50 por ciento de las ventas de automóviles nuevos fueran eléctricos. La administración ha dicho que Estados Unidos está poniendo demasiado interés en tecnología de baterías que sólo podría provenir del extranjero, particularmente de China. Los fabricantes de automóviles también temen una situación similar a la actual crisis de suministro de microchips, que los está obligando a competir desesperadamente para estar al frente de la cola a medida que salen chips nuevos de la línea. "Lo último que quiero hacer es negociar con las naciones asiáticas para garantizar el suministro", advirtió Robert Schilp, director de compras de vehículos eléctricos de Ford, en una conferencia el mes pasado. "Necesitamos llegar aquí". De lo contrario, eso significa que los fabricantes de automóviles estadounidenses podrían terminar vendiendo menos vehículos eléctricos de los que quieren los clientes.

Hay señales de que la industria de las baterías está prestando atención a su propia advertencia. El mes pasado, GM y Posco Chemicals, una empresa coreana de materiales catódicos, anunciaron planes para construir una fábrica en Estados Unidos para producir materiales catódicos. En Europa, donde la industria de las baterías no está muy por delante, Volkswagen se ha asociado con la empresa belga de materiales Umicore. En septiembre, Redwood Materials, una empresa quizás más conocida por reciclar materiales para baterías, anunció que también entraría en el negocio de la fabricación de cátodos con planes de construir una fábrica en EE. UU. que producirá suficientes cátodos para 5 millones de vehículos eléctricos para 2030. Es un Para empezar, Srinivasan dice: “Por cada anuncio que se hace, es fantástico. Ahora sólo necesitamos 20 más”.

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Hasta hace poco, en Estados Unidos el mayor impulso se ha dirigido a las fábricas que ensamblan celdas de baterías. Este es uno de los pasos finales antes de que la batería se envíe a un fabricante de automóviles. Pero el quid de la fabricación sigue estando en una etapa más temprana del proceso, especialmente en la producción de los materiales para el cátodo, que constituye la mayor parte del costo de una batería y también de sus emisiones de carbono. Esto se debe en gran medida a qué tan lejos deben viajar los átomos que terminan dentro de ese cátodo antes de llegar a un automóvil. Primero deben recorrer miles de kilómetros en zigzag por todo el mundo y pasar por muchos pares de manos, desde mineros hasta procesadores y refinadores, pasando por los fabricantes de materiales catódicos en polvo.

Algunos de esos pasos son más fáciles de aplicar que otros. ¿Los lugares donde se extraen estos minerales? Esos están prácticamente arreglados. La mayor parte del cobalto del mundo proviene de la República Democrática del Congo, mientras que el níquel se extrae de lugares como Rusia e Indonesia, y los fabricantes de baterías participan en guerras de ofertas por los derechos sobre el litio obtenido de las salmueras andinas. Estados Unidos tiene pequeñas reservas de níquel y cobalto (el lunes Tesla anunció que se había comprometido a comprar ambos de una mina propuesta en el norte de Minnesota), así como fuentes más importantes de litio que han despertado preocupaciones ambientales y que pueden tardar años en recuperarse. correr.

Los fabricantes de automóviles pueden opinar sobre qué materiales son importantes al elegir qué cátodos terminan en sus automóviles. Pero las compensaciones pueden ser difíciles de sortear, dice Srinivasan, e incluso pequeños cambios en la química del cátodo pueden significar una cadena de suministro radicalmente diferente. Presionar por baterías con bajo contenido de cobalto a menudo significa una mayor demanda de níquel, por ejemplo. También puede requerir una cadena de suministro de litio completamente nueva debido a la forma en que se fabrica el nuevo material. (Para que conste, los fabricantes de baterías lo querrán en forma de hidróxido de litio, no de carbonato de litio, porque se descompone a una temperatura más baja).

Una opción popular para los fabricantes de automóviles estadounidenses que enfrentan limitaciones de materiales son los cátodos con alto contenido de níquel y bajo cobalto porque les permiten incluir más alcance en las baterías de los vehículos que el cambio a LFP. "Cuando se trata de densidad de energía, no hay mejor metal que el níquel", dice Alan Nelson, vicepresidente senior de materiales para baterías de Redwood. Para Redwood, que planea fabricar ese tipo de cátodos, el diseño tiene particular sentido, afirma, porque el enfoque de la empresa de utilizar materiales reciclados significa que no necesitará depender de ninguna fuente externa de cobalto, una posición envidiable en la industria. Sin embargo, la empresa necesitará encontrar fuentes de níquel en bruto, probablemente en minas en el extranjero.

Una ventaja que tiene China a la hora de desarrollar la fabricación de baterías es que también lidera a Estados Unidos y Europa en la demanda de vehículos eléctricos, dice Hans Eric Melin, fundador de Circular Energy Storage, una consultora de baterías. “¿Dónde está pasando todo? ¿Dónde están los recursos? ¿Dónde están los líderes? Melín pregunta. Esto también podría influir en quién lidera las nuevas tecnologías de baterías, señala, al facilitar mucho a los fabricantes chinos de baterías probar y ampliar nuevas formulaciones. Señala el anuncio del año pasado de que CATL daría un gran impulso a la producción de baterías de iones de sodio para automóviles, cerrando el circuito de otra tecnología antigua y casi olvidada que se desarrolló en gran medida en Europa y que se hizo popular.

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La ventaja de la demanda de China es especialmente cierta para los automóviles de menor autonomía que utilizan baterías LFP, dice Nikos Tsafos, experto en energía y geopolítica del Centro de Estudios Estratégicos e Internacionales. Pero Estados Unidos podría compensar esa brecha, sugiere. Si la administración Biden tiene el objetivo estratégico de reducir la dependencia estadounidense del cobalto y el níquel, tal vez debería hacer más para fomentarlo. Quizás los coches con baterías LFP deberían incluir un crédito fiscal más favorable para los compradores. "No parece muy útil tener un objetivo y luego un conjunto de políticas que no estén en sintonía con ese objetivo", afirma. “Se podría decir: 'Oye, no todas las baterías son iguales'”.

Estados Unidos también podría trabajar para evitar otro fracaso en la tecnología emergente. Srinivasan, de Li-Bridge, señala que Estados Unidos lidera la investigación de nuevas tecnologías como ánodos de silicio y electrolitos de estado sólido, que los expertos esperan que conduzcan a baterías sustancialmente más potentes y duraderas que las existentes. Pero el éxito no es sólo una cuestión de un gran avance en un laboratorio, señala. También significa tener un plan para invertir con anticipación en las partes de la cadena de suministro que realmente permitirán construir esas nuevas baterías: averiguar qué componentes mundanos requerirá un nuevo diseño de batería y qué minerales raros de repente necesitarán obtenerse a altas temperaturas. volúmenes. La receta perfecta para una batería de estado sólido podría incluir una pizca de circonio o una pizca de vanadio. Como dice Srinivasan: "¿De dónde se consigue el circonio?"