Las baterías de iones de litio son una tecnología clave para la transición hacia energías limpias

Las baterías de litio almacenan energía de forma eficiente, lo que las convierte en una opción excelente para su uso en vehículos eléctricos o de recreo. Las baterías de litio también mantienen un nivel de carga extremadamente alto a lo largo del tiempo.

Dado que los iones de litio fluyen del ánodo al cátodo a través del electrolito, los materiales de ánodo más populares incluyen carbono y silicio; los cátodos consisten en óxidos metálicos como espinela, níquel cobalto manganeso o fosfato de hierro y litio como cátodos.

1. Almacenamiento de energía

Las baterías de iones de litio han tenido uno de los mayores impactos de la historia reciente: allanaron el camino para la revolución de la movilidad eléctrica y ahora son un elemento clave en la transición hacia energías limpias. Su uso alimenta una gama cada vez mayor de aparatos electrónicos portátiles de consumo: ordenadores portátiles y teléfonos móviles, coches eléctricos/híbridos enchufables/sistemas de almacenamiento de energía en el hogar, etc.

Las pilas constan de cinco elementos principales: un ánodo, un cátodo, un separador entre electrodos, una solución electrolítica que transporta iones de litio mediante electrólisis y colectores de corriente de cobre y aluminio para conectarlos a los cables. Durante la carga, una fuente de alimentación externa aplica una tensión de sobretensión que fuerza a los electrones de los electrodos positivos hacia los negativos e impulsa los iones de litio entre el ánodo y el cátodo mediante electrólisis; cuando se descarga ocurre a la inversa: los iones de litio abandonan un electrodo y se intercalan entre los electrodos mientras los electrones libres fluyen hacia fuera a través de los cables proporcionando la corriente que alimenta nuestros dispositivos.

Un ánodo puede estar formado por varios materiales, pero el grafito y el óxido de litio y cobalto son dos de los más populares. Los cátodos suelen estar formados por metales como el níquel-cobalto-aluminio o el litio-fosfato de hierro; su composición química determina en última instancia el rendimiento de la batería: por ejemplo, el níquel-cobalto-aluminio proporciona ciclos de vida más largos, mientras que el litio-fosfato de hierro puede ser más rentable.

En la actualidad, la mayor parte de los costes de producción de LiB se dedican a la fabricación de electrodos y al acabado de las celdas, dos de los procesos que requieren más tiempo y energía; en total, consumen aproximadamente 40% de la capacidad de las baterías. Sin embargo, con el descenso de los costes de las materias primas y el aumento de la capacidad de producción, los precios del LiB deberían seguir bajando con el tiempo.

2. Seguridad

Debido a su electrolito líquido inflamable, las baterías de litio mal diseñadas y fabricadas suponen un riesgo para la seguridad cuando se dañan o se cargan de forma inadecuada, pudiendo provocar incendios o explosiones. Se ha trabajado mucho en la mejora de su diseño y fabricación para reducir este riesgo; también se está utilizando la tecnología de iones de litio para crear baterías de estado sólido sin electrolito.

Las baterías de iones de litio destacan entre los tipos de baterías recargables por tener una densidad de energía extremadamente alta, lo que significa que las celdas más pequeñas pueden proporcionar la misma cantidad de energía que las baterías más grandes - ideal para dispositivos portátiles como teléfonos y cámaras digitales, vehículos eléctricos, vehículos recreativos y otros que requieren energía eficiente sin dejar de ser ligeros.

La principal ventaja de este tipo de batería es que no sufre el efecto memoria, por lo que puede utilizar toda su capacidad sin preocuparse de que pierda eficiencia con el paso del tiempo. Sin embargo, ten en cuenta que su química no tolera muy bien el calor, por lo que almacenarlas a altas temperaturas podría causar daños irreparables.

Por lo tanto, es fundamental leer atentamente el manual de usuario de la batería para saber cuál es la mejor forma de cuidarla y prolongar su vida útil. En general, mantenerla refrigerada y no sobrecargarla maximizará la vida útil de la batería y garantizará un rendimiento óptimo.

3. Ligero

Las baterías de níquel-cadmio y, más tarde, las de níquel-hidruro metálico, fueron la opción estándar para aparatos electrónicos portátiles, desde teléfonos móviles hasta ordenadores portátiles, durante más de 100 años, hasta que el litio-ión surgió como tecnología alternativa a principios de los años 90. Las pilas de iones de litio son más ligeras y potentes que sus predecesoras, duplican su densidad energética y pueden cargarse y descargarse a 3,6 V, lo que permite diseñar paquetes de pilas con una sola célula.

Las baterías de litio se encuentran en ordenadores portátiles, vehículos eléctricos y herramientas eléctricas inalámbricas. Las baterías de litio son excelentes soluciones de almacenamiento de energía solar, ya que se cargan y descargan rápidamente, y también son excelentes soluciones de energía de reserva, como sistemas SAI o fuentes de alimentación de emergencia.

La temperatura y los patrones de uso tienen un gran impacto en la vida útil de las baterías de iones de litio, incluida la degradación causada por la exposición al calor y las sobrecargas frecuentes. El calor acelera la degradación, mientras que la sobrecarga frecuente la acelera aún más; las baterías de iones de litio nunca deben exponerse a temperaturas extremas durante periodos prolongados.

Existen varios tipos de baterías de iones de litio, cada uno de los cuales ofrece su propio conjunto de ventajas y desventajas. Su aplicación, presupuesto y tolerancia de seguridad le ayudarán a determinar qué tipo de batería de litio se ajusta mejor a sus necesidades. Los cuatro tipos de baterías más comunes son LiCoO2, LiNMC, LiMnPO4 y las baterías de polímero de litio, cada una de las cuales ofrece su propia química distinta, aunque comparten aspectos fundamentales como el uso de iones de litio para almacenar energía eléctrica, protegidos por una capa aislante para proteger los electrodos entre sí y protegidos por un material de ánodo como LiCoO2; LiNMC utiliza cátodos combinados de manganeso y níquel que ofrecen tanto una alta energía específica como una excelente estabilidad, cada una de las cuales ofrece un alto rendimiento de energía específica a un coste asequible.

4. 4. Respetuoso con el medio ambiente

Las baterías de iones de litio son una tecnología indispensable en la transición de nuestros sectores del transporte y la electricidad de los combustibles fósiles a las fuentes de energía renovables. Su larga duración, su alta densidad energética y su capacidad de carga rápida hacen que las baterías de iones de litio sean ideales para alimentar vehículos eléctricos, herramientas eléctricas u ordenadores portátiles, al tiempo que aumentan la concienciación sobre el uso de la energía entre los consumidores.

Las baterías de iones de litio pueden ofrecer muchas ventajas medioambientales, pero su producción y eliminación siguen teniendo repercusiones en el medio ambiente. Las baterías de iones de litio contienen electrolitos líquidos inflamables que, si se eliminan de forma inadecuada, pueden liberar sustancias tóxicas al medio ambiente que amenazan la calidad del suelo y del agua; cuando se desechan de forma inadecuada también pueden provocar incendios en vertederos e instalaciones de reciclaje de baterías.

La producción de baterías de iones de litio deja una enorme huella de carbono debido a la minería y la extracción de sus materias primas de la tierra, como la minería de roca dura, que por cada tonelada extraída libera 15 toneladas de CO2. Además, la extracción de estos minerales requiere grandes cantidades de energía, que procede principalmente de la quema de combustibles fósiles para su extracción.

Los componentes extraídos de las baterías, como el litio, el níquel, el cobalto, el grafito y el papel de aluminio, también producen emisiones de gases de efecto invernadero que contribuyen al cambio climático, mientras que su transporte y entrega añaden más emisiones de carbono a la huella de carbono de nuestro planeta.

Una vez que las baterías de iones de litio llegan al final de su vida útil, se convierten en residuos electrónicos (e-residuos). Desgraciadamente, muchas no se reciclan adecuadamente, sino que a menudo acaban en vertederos y flujos de residuos comerciales, donde pueden cortocircuitarse inadvertidamente o desmontarse de forma insegura para extraer pequeñas piezas valiosas con fines de recolección. Esto suele provocar incendios que contribuyen aún más al cambio climático.

5. Reciclable

Las baterías de litio también contienen otros metales como níquel, cobalto y cobre, así como productos químicos orgánicos y plásticos que, cuando se desechan, pueden filtrar escorrentías tóxicas a las vías fluviales y provocar incendios cuando se desechan en centros de tratamiento de residuos; ¡La Asociación de Servicios Ambientales del Reino Unido informó de 250 incendios de baterías entre 2019 y 2020 solo en centros de tratamiento de residuos! Además, las baterías de litio presentan riesgos de seguridad cuando se aplastan o perforan - estas acciones pueden cortocircuitar sus cátodos, lo que lleva a la combustión interna - ¡según la Conferencia Europea de Recicladores de Acero 90% de estos incendios fueron causados por pequeñas baterías de litio!

Las estadísticas actuales revelan que sólo se recicla en torno al cinco por ciento de las baterías de todo el mundo; muchas simplemente se tiran o se envían directamente a los vertederos. Una de las razones puede ser su compleja composición, como en el caso de las baterías de iones de litio, que suelen contener 22% de cobalto, 5-10% de níquel y 5-7% de litio; además, pueden contener 15% de productos químicos orgánicos y 7% de plásticos.

Aunque reciclar baterías de litio es técnicamente posible, el proceso es caro y lento, por no decir ineficaz; un especialista en almacenamiento de energía explica que para que sean realmente eficaces requieren materias primas de gran pureza que actualmente no poseemos.

El PNNL ha desarrollado un proceso innovador, que consiste en triturar y pulverizar las baterías fuera de uso hasta convertirlas en polvo, como paso importante para abaratar el reciclado de las baterías de litio. La utilización de técnicas hidrometalúrgicas y pirometalúrgicas para recuperar los metales de las baterías viejas y utilizarlos como materia prima de otras nuevas podría reducir la demanda de minerales o metales de tierras raras que podrían sufrir restricciones de suministro en el futuro.

En esencia, la circularidad de los materiales se refiere a la creación de un ciclo sin fin en el que las baterías inician su viaje desde que se utilizan por primera vez en un vehículo eléctrico antes de reciclarse y volver a introducirse en los procesos de fabricación.