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El objetivo de expandir la movilidad eléctrica es ayudar a salvar el clima. Sin embargo, la extracción del litio que se necesita para este esfuerzo está dejando huellas muy visibles en la tierra. Reciclar esta materia prima, que es crucial para la producción de baterías, está mitigando esta presión sobre el medio ambiente. Las membranas de alto rendimiento de Evonik pronto podrían estar en el centro de esta tendencia.
Verde, turquesa, amarillo: las cuencas gigantes brillan con innumerables matices de color bajo el sol abrasador. Las salinas en las llanuras aparentemente interminables del desierto de Atacama en Chile son una de las principales fuentes de «oro blanco»: litio. En Australia, se extraen volúmenes aún mayores de litio de minerales de roca dura en minas a cielo abierto que tienen más de cien metros de profundidad. A lo largo de los costados de estos pozos, los camiones suben y bajan lentamente por estrechas vías en espiral.
Los gigantescos sitios de extracción son un signo ampliamente visible de la transformación global del transporte: lejos de los motores de combustión y hacia sistemas de propulsión eléctrica con baterías recargables que contienen grandes cantidades de litio. Algunos de los factores que benefician al medio ambiente, por un lado, provocan un daño considerable por el otro. En el desierto de Atacama, el sol hace que el agua se evapore, aumentando la concentración de litio sin ningún aporte adicional de energía. Pero el proceso de extracción requiere enormes cantidades de agua, y eso hace que el agua subterránea, que ya es escasa, se hunda a niveles aún más profundos. Cada vez con más frecuencia, las minas a cielo abierto como las de Australia provocan conflictos con los habitantes locales. Evonik está trabajando para encontrar una solución a este dilema, sobre la base de la experiencia en membranas de la empresa.
LA MOVILIDAD ELÉCTRICA ES EL CONDUCTOR
Los expertos coinciden en que la movilidad eléctrica no progresará en las próximas décadas si faltan los materiales de batería relevantes, como el litio, el cobalto y el níquel. Por el contrario, la necesidad de carbonato de litio e hidróxido de litio, que son materias primas cruciales para la producción de baterías de iones de litio, crecerá a pasos agigantados. En cada vehículo eléctrico se utilizan hasta diez kilogramos de estos materiales.
En 2018 la demanda mundial de equivalentes de carbonato de litio ascendió a 59.000 toneladas. Según cálculos del proveedor estadounidense de litio Albemarle, para 2025 esta cantidad ya habrá crecido a 650.000 toneladas, más de 11 veces la cifra anterior. El litio también se necesita para otras aplicaciones, como la producción de cerámica y lubricantes. “Sin embargo, el impulsor crucial de la demanda de litio será la movilidad eléctrica”, dice la Dra. Elisabeth Gorman, responsable del desarrollo de nuevos negocios en el campo del reciclaje de litio en Creavis, la unidad de innovación estratégica e incubadora de negocios de Evonik.
“El impulsor crucial de la demanda de litio será la movilidad eléctrica”
EL RECICLAJE CADA VEZ MÁS ATRACTIVO
Para cubrir esta mayor necesidad de litio en el futuro, las empresas están invirtiendo en la expansión de la extracción de litio y las instalaciones para procesar esta materia prima. En el futuro, el reciclaje proporcionará otra forma importante de obtener litio. En sus ubicaciones de Hanau y Marl, Evonik está trabajando en un proyecto de desarrollo para extraer litio ultrapuro de los desechos de las baterías.
El reciclaje de litio de baterías viejas resolvería dos problemas a la vez: la necesidad de satisfacer la creciente demanda de litio y la eliminación responsable de las baterías, que aún tienen suficiente carga residual para provocar incendios si no se manipulan adecuadamente. . Hoy en día el reciclaje de litio es complicado y costoso. Como resultado, al final del ciclo de vida de las baterías, casi todo este material termina en la basura. Incluso la proporción de litio que permanece en la instalación de reciclaje junto con otros residuos después de la recuperación de cobalto y níquel a menudo se une químicamente con la escoria del proceso. Esta escoria es simplemente utilizada por la industria de la construcción como un agregado mineral en el concreto premezclado, un final vergonzoso para el “oro blanco”.
Lejos de los usuarios: Trabajadores se preparan para la construcción de una planta piloto de extracción de litio en el salar de Uyuni en Bolivia.
Y la cantidad de litio que termina hoy en los vertederos es solo un indicio del desafío que enfrentaremos en el futuro. Todavía estamos solo al comienzo de la era de la movilidad eléctrica. Varias etapas en el camino hacia el reciclaje se están volviendo evidentes. Las baterías que ahora están en uso permanecerán en la carretera durante varios años. En muchos casos, cuando el vehículo que alimentan se desecha al final de su ciclo de vida, las baterías recargables todavía tienen una capacidad del 70 al 80 por ciento de su rendimiento original. Se pueden quitar e interconectar en contenedores para formar unidades de almacenamiento de electricidad. Mercedes-Benz lanzó hace años proyectos piloto con baterías de este tipo de “segunda vida” en varios lugares para proteger las plantas de producción de las fluctuaciones en la red eléctrica.
Sin embargo, el uso de estas baterías recargables eventualmente ya no valdrá la pena. En ese momento, el enfoque cambiará de la eliminación de baterías al reciclaje. El reciclaje de litio y otros componentes de baterías es cada vez más atractivo desde una perspectiva económica. Los precios del cobalto y el níquel se han más que duplicado en los últimos dos años. Es cierto que el precio del carbonato de litio disminuyó lenta y continuamente hasta principios de 2021, pero desde entonces casi se ha multiplicado por diez. Como resultado, todos los componentes esenciales de una batería de iones de litio se han vuelto tan caros que su reutilización no solo es práctica desde una perspectiva ambiental, sino que también es rentable en términos económicos. “Mientras tanto, muchos países están aumentando la presión regulatoria”, dice Elisabeth Gorman.
Elisabeth Gorman es responsable del desarrollo de nuevos negocios en el área de reciclaje de litio de Creavis.
Para 2026, las empresas de la Unión Europea deberán recuperar al menos el 35 por ciento del litio en las baterías usadas. Esa cifra aumentará al 70 por ciento para 2030. “La UE también está definiendo estándares mínimos para el procesamiento de baterías”, agrega el experto de Evonik. “Para 2030, las baterías nuevas deberán contener al menos un 12 por ciento de cobalto reciclado, un 20 por ciento de níquel reciclado y un cuatro por ciento de litio reciclado”. En 2018, China requirió que sus plantas de producción de automóviles nacionales encontraran soluciones para baterías que habían completado su primer ciclo de vida. EE. UU. aún no ha aprobado una regulación a nivel nacional en esta área, dejando que el problema lo resuelvan los estados individuales.
Para cumplir con las cuotas de la UE en el futuro, las capacidades de reciclaje deben expandirse rápidamente. Según las previsiones, las baterías viejas con un peso total de 100.000 toneladas estarán listas para reciclarse en la Unión Europea en 2023. El número de vehículos eléctricos que ya se han vendido hace estimar que en 2025 esa cifra ya será de 300.000 toneladas en el UE y un millón de toneladas en todo el mundo. Los esfuerzos para extraer litio de las baterías usadas están aumentando en todas partes. Otra razón para esto es que el transporte de sales de litio recién extraídas desde regiones distantes como América del Sur y Australia consume mucha energía y, por lo tanto, aumenta la huella de CO2. El envío de materias primas es costoso en sí mismo, y en algunos países también se imponen derechos de aduana. Parece lógico que si una materia prima ya está disponible en una región determinada, se debe utilizar allí durante el mayor tiempo posible.
(izquierda) Las muestras de la membrana cerámica se miden en el laboratorio Evonik en Hanau.
(derecha) En 2021 se vendieron más de 6,5 millones de coches eléctricos en todo el mundo. Se están construyendo nuevas plantas de producción en muchos países. Incluso las camionetas pesadas como la Ford F-150 ahora se ofrecen con propulsión eléctrica.
LITIO DE «BLACK MASA»
Evonik ha estado observando este desarrollo con creciente interés durante años. El ganador del concurso de ideas interno Ideation Jam en 2019 fue el equipo de Blue Lithium. Al equipo originalmente se le ocurrió la idea de extraer litio del agua de mar, pero finalmente cambió a una tecnología que filtra los residuos de las instalaciones de reciclaje. Este proceso se desarrolló más dentro de la empresa durante un año; desde entonces, el proceso de desarrollo ha sido impulsado por Creavis. El objetivo básico es extraer litio de la «masa negra» utilizando la menor cantidad posible de energía y productos químicos. Por «masa negra», los expertos se refieren al material que queda después de retirar los componentes plásticos de las baterías recargables de iones de litio y triturar el resto.
LITIO PRODUCIDO POR ELECTRÓLISIS
Las aguas residuales que contienen litio de la instalación de reciclaje fluyen entre el ánodo y la membrana cerámica desarrollada por Evonik. Los iones de litio cargados positivamente son atraídos por el cátodo negativo y se mueven hacia la membrana. La membrana también contiene iones de litio (Li+) y, como resultado, los iones de litio del flujo de aguas residuales pueden saltar de un punto localizado de la membrana al siguiente. Por medio de este «mecanismo de salto», la membrana siempre libera exactamente tantos iones de litio en el lado del cátodo como los que recibe en el lado del ánodo. Al mismo tiempo, el agua reacciona con los electrones en el cátodo para formar hidrógeno (H2) e iones de hidróxido (OH-), que reaccionan con los iones de litio para formar hidróxido de litio, el producto deseado.
Ya se están implementando algunos procesos para reprocesar los contenidos finamente molidos de la “masa negra”. Se basan en procesos de fundición (conocidos como procesos pirometalúrgicos), en el uso de soluciones alcalinas (procesos hidrometalúrgicos) o en una combinación de ambos. Estos procesos han demostrado su eficacia en el caso del cobalto y el níquel, que hoy en día ya se están aislando con altos rendimientos y reutilizando como materias primas secundarias. Sin embargo, el residuo que queda todavía contiene litio, cuya recuperación hasta ahora apenas ha valido la pena económicamente.
Una instalación está funcionando a escala experimental en laboratorio de Evonik en Hanau. Los resultados de esa instalación son prometedores.
UN PROCESO MÁS SOSTENIBLE
Sin embargo, Evonik ahora está trabajando junto con otras compañías que se especializan en el uso continuo de los materiales en baterías «al final de su vida útil». El objetivo es desarrollar tecnologías más avanzadas para extraer el oro blanco de la masa negra. Estas empresas tienen experiencia en el reciclaje de baterías de iones de litio que se utilizan en aplicaciones domésticas e industriales típicas. Hasta ahora han estado recuperando aluminio, cobre, acero y acero inoxidable.
Sin embargo, los procesos actuales para reciclar litio no son lo suficientemente eficientes, por lo que este metal se está recuperando solo en pequeñas cantidades. Junto con las empresas de reciclaje, Evonik ahora tiene como objetivo encontrar un mejor proceso que cierre la brecha en la economía circular del litio como materia prima para las baterías. Muchos de los procesos que se han utilizado comúnmente hasta la fecha para recuperar litio de los residuos de las baterías funcionan con un proceso de precipitación complicado. En este proceso, se aumenta la concentración de las sales de litio en un flujo residual acuoso y luego se precipita el litio con carbonato de sodio, que también se conoce como soda. El carbonato de litio así producido debe separarse de forma costosa de los otros productos de reacción y luego debe convertirse en hidróxido de litio mediante la adición de hidróxido de calcio. Solo en ese momento vuelve a estar disponible como materia prima para la producción de baterías recargables de iones de litio. Todo el proceso es costoso, requiere productos químicos adicionales y utiliza grandes cantidades de agua. Como resultado, no es muy atractivo para las empresas de reciclaje de baterías en términos económicos.
Los expertos de Evonik están trabajando para desarrollar un proceso más simple y sostenible. Su objetivo es recuperar el litio en un proceso continuo utilizando un solo paso. Están apostando por un proceso electroquímico para depurar las sales de litio contenidas en los vertidos acuosos. Patrik Stenner es un experto en este campo. Trabaja como ingeniero de procesos en la unidad de Tecnología e Ingeniería de Procesos en la ubicación de Hanau, donde es el jefe del grupo de Exploración y Procesos Electroquímicos.
En su laboratorio, Stenner está desarrollando una innovadora celda de electrólisis cuya característica especial es una membrana cerámica selectiva de litio entre el ánodo y el cátodo. El flujo de desechos acuosos de la instalación de reciclaje se canaliza a través de la celda. Los iones de litio reaccionan con los iones de hidróxido (OH-) que se crean en el proceso para formar hidróxido de litio e hidrógeno (H2). “El producto es tan puro que cumple con los altos estándares para material de ‘grado de batería’ sin necesidad de procesamiento adicional. Como resultado, se puede usar inmediatamente para la producción de baterías”, dice Stenner. ¿Puede comenzar ahora la producción a gran escala? Patrick Stenner sonríe. “Los resultados en el laboratorio parecen muy prometedores y ya estamos probando un prototipo. Pero esto es un proyecto de investigación,
Sin embargo, ya se está haciendo evidente que este proceso será más manejable, más eficiente y más sostenible que los anteriores. La conductividad de la membrana cerámica es excelente a escala de laboratorio, con una tasa de recuperación de más del 99 por ciento. Las comparaciones iniciales sugieren que el nuevo proceso debería ser más económico y rentable que los procesos utilizados anteriormente. En este proceso de desarrollo, los expertos de Evonik se benefician de su experiencia con membranas y también de su conocimiento sobre partículas. Como son especialistas en los materiales y sus características y aplicaciones (dióxido de silicio y otros óxidos especiales, por ejemplo) a escala nanométrica, saben exactamente cómo pueden crear una membrana cerámica que solo permita el paso de iones de litio. Ahora están a punto de realizar las primeras pruebas con flujos de aguas residuales «genuinas». Después de eso, el siguiente paso, establecer una instalación piloto, debe tener éxito.
Gracias a la membrana cerámica, el litio se puede filtrar de las aguas residuales con una pureza tan alta que se puede utilizar directamente para la producción de baterías nuevas.
LITIO DE FUENTES NATURALES
En Alemania, un país con tradición en la fabricación de automóviles, hay una gran demanda de litio. Tesla recientemente puso en marcha una planta de producción de automóviles en un sitio cerca de Berlín, y el director ejecutivo de la compañía, Elon Musk, también planea construir una fábrica de baterías adyacente. Los fabricantes de automóviles como Volkswagen, Mercedes-Benz, BMW, Audi y Porsche también tienen sus propios planes. La mayoría de ellos quiere cooperar con los productores de baterías para construir fábricas de baterías cerca de sus lugares de producción. Como resultado, están creando una enorme demanda de litio en el corazón de Europa.
Una fuente potencial de litio podría estar disponible en Sajonia, que tiene una industria minera establecida desde hace mucho tiempo en los Montes Metálicos, cerca de la frontera entre Alemania y la República Checa. Se ha descubierto litio en la mina Zinnwald, que se cerró en gran parte hace 75 años. El litio se puede encontrar bajo tierra en una veta que se extiende hasta la República Checa. Se estima que más de 35 millones de toneladas de mineral yacen bajo tierra en esta región. El mineral conocido como zinnwaldite contiene un 1,6 por ciento de litio en promedio. Solo en el lado alemán de la cordillera de los Montes Metálicos, el depósito contiene aproximadamente 125.000 toneladas de litio. Eso corresponde a unas 650.000 toneladas de carbonato de litio, lo que sería suficiente para equipar unos 20 millones de coches eléctricos como el ID.3 de Volkswagen, según Armin Müller de la empresa operadora Deutsche Lithium. La nueva fábrica de Tesla está ubicada a solo 250 kilómetros de la región minera. Esa es una clara ventaja de ubicación sobre Chile y Australia.
El proceso Evonik también se puede utilizar con depósitos naturales de salmuera de litio, y eso abriría otro flujo de materias primas en Alemania. La empresa australiana Vulcan Energy ha unido fuerzas con la empresa de energía local en la región del Alto Rin Graben en la parte occidental de Alemania. Tesla es propiedad de Elon Musk, el hombre más rico del mundo, y Vulcan Energy pertenece a Gina Rinehart, una multimillonaria que es una de las mujeres más ricas del mundo. La ambición de su empresa es extraer litio sin generar CO 2emisiones El plan es extraer litio de aguas termales profundas que se extraen de rocas volcánicas subterráneas a la superficie terrestre. El agua profunda, que tiene una temperatura de 120°C, se bombea a la superficie. Se utiliza el calor, se extrae el litio y el agua ahora más fría se bombea de vuelta a las profundidades de la tierra en otra área. La RAG-Stiftung, el mayor accionista de Evonik, planea establecer un proceso similar utilizando agua de pozo de minas fuera de servicio en la región del Ruhr.
Las baterías de iones de litio viejas y defectuosas se trituran en esta fábrica en Corea del Sur. El polvo resultante, conocido como “masa negra” (izquierda), es la fuente de la que se pueden recuperar materias primas como el níquel, el cobalto y el litio.
DESARROLLO HASTA 2025
Los expertos de Evonik, Gorman y Stenner, creen que los campos de aplicación de la extracción primaria de litio son emocionantes. “Sin embargo, para nosotros ese sería en realidad el segundo paso”, dice Gorman. “Inicialmente nos estamos enfocando en la extracción secundaria de litio, en otras palabras, en el reciclaje”. Ambos confían en que habrán desarrollado el proceso de membrana cerámica hasta la madurez del mercado en los próximos tres a cinco años.
Gorman enfatiza que Evonik no haría el reciclaje por sí mismo. Esta tarea sería realizada por los operadores de las instalaciones de reciclaje, quienes podrían aumentar su rendimiento de materias primas relevantes para la producción de baterías con la membrana cerámica «hecha por Evonik». Empresas especializadas de este tipo están apareciendo actualmente en gran número. La mayoría de ellos son creados conjuntamente por fabricantes de baterías, empresas de reciclaje y fabricantes de automóviles.
Los expertos de Evonik creen que China, pionera mundial en el campo de la movilidad eléctrica, será un mercado importante. Según un estudio realizado por la consultora PWC, un millón de autos eléctricos nuevos circularon por las carreteras de China en el primer trimestre de 2022, dos tercios de los autos a batería registrados en el mundo. En China, el 15 por ciento de todos los vehículos nuevos son eléctricos. En comparación, esa cifra es del 13 por ciento en los mercados europeos más importantes, el siete por ciento en Corea del Sur, el cinco por ciento en EE. UU. y solo el uno por ciento en Japón.
Durante mucho tiempo, a los fabricantes de automóviles alemanes les resultó difícil hacerse un hueco con los coches eléctricos en el mercado chino. Pero ahora han duplicado su cuota de mercado del dos al cuatro por ciento en un año, gracias a los nuevos modelos y la expansión de la producción in situ. Una mayor integración vertical ayudaría a las empresas alemanas a expandir este canal, según el experto en automoción Jörn Neuhausen de PWC. “En el futuro, las inversiones en la producción local de baterías, la construcción de gigafábricas en Europa y EE. UU. y las asociaciones con productores de materias primas podrían desempeñar un papel más importante para los fabricantes de automóviles a la hora de ayudar a reducir su dependencia de cadenas de suministro volátiles”, dice.
“Queremos que nuestro proceso sea más efectivo y que ahorre más energía que los métodos anteriores”
Patrik Stenner, Ingeniero de procesos en Evonik, Hanau, con una muestra del material precursor del que está hecha la membrana cerámica.
El objetivo es implementarlo a escala industrial.
GLOSARIO
Celda La unidad de producción de corriente electroquímica más pequeña de una batería. La celda consta de dos electrodos, un electrolito, un separador y una carcasa. Cuando la batería se descarga, la energía química almacenada se transforma en energía eléctrica mediante la reacción electroquímica redox.
Batería Un grupo interconectado de varias celdas. En las baterías primarias las reacciones durante el proceso de descarga son parcial o totalmente irreversibles. En otras palabras, la batería no se puede recargar.
Batería recargable Una batería secundaria en la que las reacciones de descarga son en gran parte reversibles. Como resultado, es posible transformar energía química en energía eléctrica y viceversa varias veces.
Batería de litio Batería primaria en la que se utiliza litio (Li) como material activo en el electrodo negativo.
Batería de iones de litio Un término general para una batería recargable basada en compuestos de litio. Los materiales reactivos en el electrodo negativo y positivo y en el electrolito contienen iones de litio. Las baterías recargables de iones de litio tienen una energía específica más alta que otros tipos de baterías recargables. Debido a que la descarga profunda o la sobrecarga les hace perder capacidad, necesitan circuitos de protección electrónica.
Batería de polímero de litio Un tipo especial de batería recargable de iones de litio en la que el electrolito es una lámina a base de polímero sólido o gelatinoso. Esto permite un diseño más abierto, por ejemplo uno que es especialmente plano. Este tipo de batería se utiliza principalmente en vehículos eléctricos.
EL PELIGRO DE UNA BATERÍA «BRECHA»
El factor clave de éxito para el aumento de la movilidad eléctrica es la disponibilidad de baterías y las materias primas que contienen. La consultora Roland Berger asume que la demanda mundial de baterías de iones de litio aumentará a 2.800 gigavatios hora (GWh) para 2030, y que alrededor del 30 por ciento de esa demanda será para la producción de autos eléctricos. En este momento, la demanda asciende a aproximadamente 390 GWh. Wolfgang Bernhart, socio principal de Roland Berger, cree que existe un alto riesgo de «encontrar una brecha en la batería». Según un análisis realizado por el Centro de Investigación Automotriz, con sede en Duisburg y Beijing, en los próximos seis años habrá un déficit global de celdas de batería para casi 15 millones de autos nuevos. Será causado principalmente por la escasez de materiales básicos como el litio, el cobalto y el níquel.
La tecnología que ella y sus colegas están desarrollando en Evonik y sus socios podría mejorar la sostenibilidad de la movilidad eléctrica y hacer aún más. También podría ayudar a garantizar que se sacrifique menos del entorno natural a la demanda de litio en las amplias extensiones del desierto de Atacama en Chile, así como en el interior de Australia.
Fuente: Elements
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