Innovación a través de la tecnología: La sostenibilidad de las baterías de litio en vehículos eléctricos

alternative auto automobile battery
Photo by Mikes Photos on Pexels.com

Una publicación especial de LACalytics en media partnership con Energía Limpia XXI

Por Scarleth Vasconcelos (Nicaragua) y Eleanor Gibson (Reino Unido)

La producción de sistemas de almacenamiento de energía para vehículos eléctricos con química de Litio, son las bases de un caso de estudio que involucra una perspectiva bi-regional. La evaluación recalca que se debe prestar atención en dos áreas potenciales del ciclo de vida de las baterías de litio, para garantizar la sostenibilidad y disponibilidad de recursos en la fabricación actual y futura; no sólo para baterías en vehículos eléctricos sino también para otros dispositivos electrónicos que funcionan con tecnología de litio.

La tecnología nos brinda nuevas y emocionantes oportunidades para ayudar a combatir problemas antropogénicos actuales, como lo es el cambio climático. Las baterías, en particular, se han convertido en un elemento clave en la sociedad moderna; desde dispositivos móviles y computadoras portátiles hasta el crecientes mercado de las energías limpias (paneles solares, turbinas eólicas, etc.) y vehículos eléctricos. Con la evolución de las baterías recargables, la sociedad está tomando conciencia de los beneficios que esta puede proporcionar, no solo a ellos, sino también al entorno natural.

En respuesta a los esfuerzos globales para reducir las emisiones de dióxido de carbono (CO2) en el sector del transporte, los vehículos eléctricos (VE’s) se han convertido en un mercado en crecimiento1. Se ha estimado que los vehículos eléctricos aumentarán más de 30 veces para el año 2030 (ver Gráfico 1)2, compitiendo contra computadoras portátiles y teléfonos móviles, en lo que respecta al uso de baterías de iones de litio (Li-ion). El creciente interés en estas baterías, se debe específicamente a su larga vida útil, ligerez y su rentabilidad de la cual se ha pronosticado que tiene el mayor potencial para la tecnología de almacenamiento de energía en el futuro3. El aumento de los vehículos eléctricos ha aumentado la demanda de baterías de iones de litio, lo que ejerce una mayor presión sobre el suministro de materias primas necesarias, como el cobalto, el grafito y el litio4. La producción mundial de litio, por ejemplo, aumentó en un 13% durante el año 20175.

Aunque los VE’s no emiten directamente CO2, su emisión global de gases de efecto invernadero depende del tipo de combustible utilizado para cargar la batería. La huella ecológica de los VE’s, como cualquier producto, también depende de la sostenibilidad del proceso de producción, incluidos los pasos tomados para producir y deposición final de la batería. Una forma de analizar sostenibilidad es llevar a cabo un análisis del ciclo de vida del producto actual 6. Gráfico 1: Se pronostica que las ventas anuales de vehículos eléctricos alcanzarán 24,4 millones para el año 2030. Cortesía: Bloomberg Energy Finance

Ciclo de vida

Un producto pasará por varias etapas antes de que llegue al final de su vida o “uso”. El ciclo de vida de un producto tiene cinco etapas principales; minería de recursos, producción de productos químicos, fabricación de productos, uso de productos y gestión de desechos7. Las empresas son cada vez más conscientes de este ciclo de vida y es importante analizar cómo se lleva a cabo cada parte del proceso8. En este caso particularmente, se discutirán dos de las etapas principales en el ciclo de vida de la batería Li-ion para VE’s; La minería de recursos de litio y la gestión de residuos de baterías de iones de litio.

Las dos etapas se basarán en las siguientes discusiones; el potencial impacto ambiental de la extracción de recursos de litio en Chile y las opciones para mejorar la sostenibilidad, y la gestión sostenible y eficiente de residuos de baterías de iones de litio que ya no tienen capacidad para alimentar un VE en el Reino Unido. Si bien la etapa de fabricación es de gran importancia en lo que respecta a sostenibilidad, el enfoque se centrará en los efectos directos que tiene el ciclo de vida de una batería Li-ion de un VE sobre el medio ambiente durante el proceso de extracción, y cómo éste es tratado cuando ya no es útil para el usuario.

Las salinas de Chile

Actualmente, hay alrededor de 70 millones de automóviles producidos por año en todo el mundo9. Alrededor de 7 millones de baterías de iones de litio se fabrican cada año, equivalente a baterías suficientes para casi el 10% de la producción de vehículos10. De acuerdo con (Armand y Tarsacon (2008), para reemplazar los 800 millones de automóviles y camiones del mundo, el transporte eléctrico usaría el 30% de las reservas mundiales conocidas de litio11. El problema con el litio no es su disponibilidad sino la velocidad a la que está siendo producido12.

El Salar de Atacama en el norte de Chile es uno de los mayores productores de sal a partir de litio de depósitos de salmuera (también conocidos como estanques de evaporación) en el mundo13. La extracción de litio de las salmueras requiere energía solar para permitir la evaporación, los grandes vertederos de desechos albergan residuos de sal y el agua evaporada se pierde14. Este proceso puede tomar hasta 24 meses15.

Aunque este método es más sostenible que la extracción convencional de litio16, el proceso de extracción en Chile tiene un impacto negativo en el entorno. El agua es actualmente la principal fuente de controversia ya que la minería consume alrededor del 65% del agua disponible en la región de Salar de Atacama17. El uso intenso del agua en esta región no solo tiene un impacto negativo en la flora y la fauna circundantes, sino también en las comunidades vecinas, donde su sustento depende del ya escaso suministro de agua. Si la demanda de litio aumenta como se prevé, estos problemas se intensificarán aún más18.

Las mejoras en la tecnología de extracción se lograrían, en parte, al mejorar la sostenibilidad de la primera etapa del ciclo de vida de la batería de Li-ion (cobalto, níquel y otras materias primas utilizadas en baterías de iones de litio requerirían un análisis del ciclo de vida similar para mejorar aún más su sostenibilidad). La Comisión Europea ha participado en investigaciones que están desarrollando un método más innovador y sostenible de extracción de litio a partir de salmueras19. El proyecto se conoce como “Proceso de extracción directa de litio”, y si tiene éxito no solo permitiría la industrialización de litio de alta calidad sino que también reduciría el impacto ambiental.

El proceso es una alternativa innovadora a la evaporación solar que utiliza una tecnología de extracción de sólido a líquido. La salmuera agotada en el litio se devuelve al ambiente natural en lugar de almacenarla en grandes sitios de desechos. Al hacerlo, el impacto en el equilibrio hídrico se reduciría significativamente20. Este proceso también eliminaría la presión en áreas como el desierto de Atacama y permitiría a los países extraer litio que antes no se podía debido a condiciones naturales inadecuadas, como la falta de luz solar y a una altitud menor que no permite la evaporación efectiva.

¿Cómo son fabricadas las baterías recargables?

Una vez que se extrae el litio, junto con las otras materias primas necesarias, tiene lugar la fabricación de las baterías. Las baterías Li-ion se componen de tres capas: un ánodo, un cátodo y un separador poroso21. El ánodo está compuesto de grafito y otros aditivos conductivos. El cátodo está compuesto de óxidos de metales de transición estratificados. El producto está saturado en una solución electrolítica, que consiste en; sal de litio y solventes orgánicos y sellado en una carcasa generalmente compuesta de acero o material de aluminio para crear una celda de la batería22.

Una vez que la celda de la batería está completa, varias celdas están dispuestas para formar un paquete de baterías. Las celdas de la batería están separadas dentro del paquete de baterías y ubicadas con otros componentes, incluyendo una unidad de control térmico, cableado y tarjeta electrónica. Consulte el Diagrama 1 para obtener una descripción más visual de este proceso23.
Diagrama 1: Ciclo de vida de una batería24. Fuente: Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos

Gestión de residuos

La vida útil de un vehículo eléctrico se proyecta en más de diez años25, sin embargo, la vida útil de una batería Li-ion es inferior a esta. En el momento en que una batería Li-ion alcanza 60% -80% de capacidad, reducirá el rango de conducción para un VE y será necesario reemplazarla 26. Según un informe titulado, “Oportunidades circulares en la industria del litio- ion” por Hans Eric Melin, la disponibilidad de baterías Li-ion usadas, listas para reciclar, excederá las 150,000 toneladas para el año 2025 27. Esta cantidad de batería produciría más de 20,000 toneladas de litio y 15,000 toneladas de cobalto. Por favor, ver Gráficos 2 y 3 para una comprensión más comparativa.

Gráfica 2: Materiales a partir de baterías recicladas en el año 2025.
Cortesía : Bloomberg Energy Finance
Gráfico 3: Disponibilidad de baterías de iones de litio para reciclaje en 2025. Cortesía: Bloomberg Energy Finance

Las tecnologías que reciclan todos los componentes de una batería de litio deben requerir con la capacidad de: descargar la batería de litio gastada, desmontar y clasificar, separar los componentes del electrodo y refinar y agregar valor 28. Sin embargo, la realidad actual del reciclaje de baterías de Li-ion es que; aunque tienen la capacidad de lograr hasta un 95% de recuperación, la mayoría de las técnicas son procesos intensivos en energía y requerirían una inversión mucho mayor en comparación con el costo de la extracción e importación de litio desde países como Chile 29.

Diagrama 2: métodos de fin de vida. Cortesía: Hong-Chao Zhang

El Reino Unido anunció recientemente que habrán inversiones en 27 proyectos de investigación que involucran a 66 organizaciones para innovar la tecnología de las baterías. Los proyectos tienen como objetivo ubicar al Reino Unido en el mapa como un líder mundial en el desarrollo y fabricación de nuevas tecnologías de almacenamiento de energía. Además, habrán proyectos que investigarán e identificarán usos finales más sostenibles para las baterías reutilizándolas, reconstruyéndolas o reciclándolas. 30 Con este fin, la fábrica de Nissan LEAF en Sunderland, Reino Unido, también ha estado abogando por la transición a estilos de vida más sostenibles a través de tecnologías que reusan las baterías de iones de litio de VE’s para almacenar energía solar.31 Esto no solo creará acceso a una vida más sostenible para la sociedad, sino que también aumentará la sostenibilidad y la esperanza de vida dentro del ciclo de vida de una batería Li-ion.

Próximos pasos

La evaluación del ciclo de vida de un producto permite identificar áreas potenciales en las que se puede mejorar el proceso de producción para lograr una mayor sostenibilidad y menos impacto ambiental. Una nueva tecnología podría remodelar el ciclo de vida de una batería Li-ion y aumentar su sostenibilidad. Al hacerlo, se proyecta que el ciclo de vida general de un vehículo eléctrico tenga una huella de carbono reducida.

El reciclaje de baterías de Li-ion podría en el futuro reducir la presión sobre la extracción de litio y otras materias primas que son necesarias en la composición de una batería. Además, las nuevas e innovadoras técnicas de extracción no sólo disminuirían la presión del suministro de agua para las comunidades locales en Chile, sino que también abrirían el mercado del litio a países que anteriormente se vieron obstaculizados por la falta de energía solar para el proceso de evaporación. Al hacerlo, la demanda de litio producida en Chile puede eximirse. Con esto en mente, el gobierno de Chile ha estado considerando un enfoque de valor agregado e invertir en investigación y desarrollo tecnológico para permitir la producción de baterías de Li-ion.32

Chile como uno de los líderes en la producción de litio, y el Reino Unido como líder en innovación de baterías y gestión de desechos, brindan una perspectiva birregional de los procesos que se deben considerar al evaluar el ciclo de vida de un producto. La literatura existente promueve un enfoque interdisciplinario al desarrollar tecnologías sostenibles a nivel internacional 33. Los acuerdos comerciales entre Europa y Chile han incluido en el pasado artículos relacionados con la promoción del intercambio de conocimiento y experiencia entre las dos regiones 34. Este Acuerdo podría sentar las bases de un modelo nuevo y más adaptado, para compartir conocimientos basados en ciencia y tecnología, específicamente en relación con la batería de iones de litio.

El aprendizaje continuo entre las partes interesadas dentro de la cadena de valor de la producción de vehículos eléctricos y la promoción de la innovación, la ciencia y la tecnología potenciarán el éxitos para el logro de un ciclo de vida sostenible.

Acerca de los autores

Scarleth Vasconcelos

Scarleth Vasconcelos, Nicaragua

Scarleth es estudiante del Máster en Ingeniería Sostenible en la Universidad Villanoca (Estados Unidos), con un grado en Ingeniería en Energías Renovables en Nicaragua. Actualmente investiga para el departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Universidad de Villanoca. Durante sus estudios de grado, hizo voluntariados relacionados con energías renovables (sistemas fotovoltaicos) y cocina ecológicas en comunidades rurales en Nicaragua. También fue voluntaria en UNICEF (Nicaragua), donde ella y su equipo participaron en el “Global Design for UNICEF” 2014, proponiendo un proyecto de telemedicina para comunidades en la costa caribeña de Nicaragua y ganando el primer puesto del evento.

Eleanor Gibson

 

Eleanor Gibson, Escocia

Eleanor se graduó en Geografía y Español  por la Universidad de Glasgow. Sus intereses descansan en el campo de los estudios ambientales, el desarrollo sostenible y la educación. También desempeñó labores como voluntaria en Camerún, donde ayudó a desarrollar un proyecto social para el uso sostenible del agua; y pasó seis meses trabajando en Panamá como pasante en materia de Economía Verde y eficiencia de recursos para el PNUMA. Actualmente miembro de la Guyana Green State Development Strategy Coordination Office, trabajando para el crecimiento y desarrollo sostenible del país.

Referencias

1 Shankleman, J. et al. (2018). We’re Going to Need More Lithium. Bloomberg.com (7 Sept.2017).Disponible en: https://www.bloomberg.com/graphics/2017-lithium-battery-future/ (Accedido el 26 Jul. 2018).

2 Shankleman, J. et al. (2018). We’re Going to Need More Lithium. Bloomberg.com (7 Sept.2017). Disponible en: https://www.bloomberg.com/graphics/2017-lithium-battery-future/ (Accedido el 26 Jul. 2018).

3 REDUse, Friends of the Earth, Global 2000 (2013). Less is more Resource efficiency through waste collection, recycling and reuse of aluminium, cotton and lithium in Europe. Brussels: GLOBAL 2000 Verlagsges.m.b.H., Neustiftgasse 36, 1070 Vienna., pp.3-10. Disponible en: http://www.foeeurope.org/sites/default/files/news/foee_report_-_less_is_more.pdf (Accedido el 10 Jun. 2018).

4 Sun, X. et al. (2017). Tracing global lithium flow: A trade-linked material flow analysis. Resources, Conservation and Recycling Research gate, 124(50-61). Disponible en: https://www.researchgate.net/publication/316747087_Tracing_global_lithium_flow_A_trade-linked_material_flow_analysis. (Accedido el 24 Jul. 2018).

5 Zinke, R. et al. (2018). U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries, January 2018. Disponible en: https://doi.org/10.3133/70194932. (Accessed 26 Jul. 2018) 98 p.

6 Sun, X. et al. (2017). Tracing global lithium flow: A trade-linked material flow analysis. Resources, Conservation and Recycling Research gate, 124(50-61). Disponible en: https://www.researchgate.net/publication/316747087_Tracing_global_lithium_flow_A_trade-linked_material_flow_analysis. (Accedido el 24 Jul. 2018).

7 Ibid

8 Sun, X. et al. (2017). Tracing global lithium flow: A trade-linked material flow analysis. Resources, Conservation and Recycling Research gate, 124(50-61). Disponible en: https://www.researchgate.net/publication/316747087_Tracing_global_lithium_flow_A_trade-linked_material_flow_analysis. (Accedido el 24 Jul. 2018).

9 Tahil, W. (2007). The Trouble with Lithium Implications of Future PHEV Production for Lithium Demand. Meridian International Research (January,2007) pp.p.1-p.27. Disponible en: http://meridian-int-res.com/Projects/Lithium_Problem_2.pdf (Accedido el Jun. 2018).

10 Ibid

11Armand, M. and Tarascon, J. (2008). Building better batteries. Nature, 451(7179), pp.652-657. Disponible en: https://www.researchgate.net/publication/5594867_Building_Better_Batteries. (Accedido el 4 Jun. 2018).

12 Armand, M. and Tarascon, J. (2008). Building better batteries. Nature, 451(7179), pp.652-657. Disponible en: https://www.researchgate.net/publication/5594867_Building_Better_Batteries (Accedido el 4 Jun. 2018).

13 REDUse, Friends of the Earth, Global 2000 (2013). Less is more Resource efficiency through waste collection, recycling and reuse of aluminium, cotton and lithium in Europe. [online] Brussels: GLOBAL 2000 Verlagsges.m.b.H., Neustiftgasse 36, 1070 Vienna., pp.3-10. Disponible en: http://www.foeeurope.org/sites/default/files/news/foee_report_-_less_is_more.pdf (Accedido el 10 Jun. 2018).

14 EUROPEAN COMMISSION (2018). COMMISSION STAFF WORKING DOCUMENT Report on Raw Materials for Battery Applications. Brussels, pp.35-42. Disponible en: https://ec.europa.eu/transport/sites/transport/files/3rd-mobility-pack/swd20180245.pdf (Accedido el 26 Jul. 2018).

15 Ec.europa.eu. (2018). Development of an innovative and sustainable lithium extraction process from medium lithium grade brines – European Commission. Disponible en: https://ec.europa.eu/growth/tools-databases/eip-raw-materials/en/content/development-innovative-and-sustainable-lithium-extraction-process-medium-lithium-grade (Accedido el 26 Jul. 2018).

16 Notter, D. et al. (2010). Contribution of Li-Ion Batteries to the Environmental Impact of Electric Vehicles. Environmental Science & Technology, 44(17), pp.6550-6556. Disponible en: https://pubs.acs.org/doi/ipdf/10.1021/es903729a (Accedido el 26 Jul. 2018).

17 Tahil, W. (2007). The Trouble with Lithium Implications of Future PHEV Production for Lithium Demand. Meridian International Research (January,2007) pp.p.1-p.27. Disponible en: http://meridian-int-res.com/Projects/Lithium_Problem_2.pdf (Accedido el 4 Jun. 2018).

18 USGS (2018). U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries. Minerals.usgs.gov. (2018). Disponible en: https://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/lithium/mcs-2018-lithi.pdf (Accedido el 26 Jul. 2018).

19 Ec.europa.eu. (2018). Development of an innovative and sustainable lithium extraction process from medium lithium grade brines – European Commission. Disponible en: https://ec.europa.eu/growth/tools-databases/eip-raw-materials/en/content/development-innovative-and-sustainable-lithium-extraction-process-medium-lithium-grade (Accedido el 26 Jul. 2018).

20 Ec.europa.eu. (2018). Development of an innovative and sustainable lithium extraction process from medium lithium grade brines – European Commission. Disponible en: https://ec.europa.eu/growth/tools-databases/eip-raw-materials/en/content/development-innovative-and-sustainable-lithium-extraction-process-medium-lithium-grade (Accedido el 26 Jul. 2018).

21 Amarakoon, S. et al. (2013). Application of LCA to Nanoscale Technology: Li-ion Batteries for Electric Vehicles. United States Environmental Protection Agency (EPA) National Risk Management Research Laboratory EPA’s Office of Research and Development (2013). Disponible en: https://www.epa.gov/sites/production/files/201401/documents/lithium_batteries_lca.pdf (Accedido el 26 Jul. 2018)

22 Amarakoon, S. et al. (2013). Application of LCA to Nanoscale Technology: Li-ion Batteries for Electric Vehicles. United States Environmental Protection Agency (EPA) National Risk Management Research Laboratory EPA’s Office of Research and Development (2013). Disponible en: https://www.epa.gov/sites/production/files/201401/documents/lithium_batteries_lca.pdf (Accedido el 26 Jul. 2018)

23 Amarakoon, S. et al. (2013). Application of LCA to Nanoscale Technology: Li-ion Batteries for Electric Vehicles. United States Environmental Protection Agency (EPA) National Risk Management Research Laboratory EPA’s Office of Research and Development (2013). Disponible en: https://www.epa.gov/sites/production/files/201401/documents/lithium_batteries_lca.pdf (Accedido el 26 Jul. 2018)

24 Amarakoon, S. et al. (2013). Application of LCA to Nanoscale Technology: Li-ion Batteries for Electric Vehicles. United States Environmental Protection Agency (EPA) National Risk Management Research Laboratory EPA’s Office of Research and Development (2013). Disponible en: https://www.epa.gov/sites/production/files/201401/documents/lithium_batteries_lca.pdf (Accedido el 26 Jul. 2018)

25 Vikström, H. et al . (2013). Lithium availability and future production outlooks. Science Direct 110, pp.252-266. Disponible en: https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2013.04.005 (Accedido el 26 Jul. 2018).

26 Ethan N. Elkind (2014). REUSE AND REPOWER How to Save Money and Clean the Grid with Second-Life Electric Vehicle Batteries. UCLA School of Law’s Emmett Institute on Climate Change and the Environment and UC Berkeley School of Law’s Center for Law, Energy & the Environment. (2018). Disponible en: https://www.law.berkeley.edu/files/ccelp/Reuse_and_Repower_–_Web_Copy.pdf (Accedido el 26 Jul. 2018).

27 Melin, H. (2018). Press release: Recycled lithium to reach 9 percent of total lithium battery supply in 2025. Circular Energy Storage(2018). Disponible en: https://circularenergystorage.com/news/2017/11/30/press-release-recycled-lithium-to-reach-9-percent-of-total-lithium-battery-supply-in-2025 (Accedido el 26 Jul. 2018).

28 Lebedeva, N. et al. (2016). Lithium ion battery value chain and related opportunities for Europe. European Commission.(2016) Disponible en: https://ec.europa.eu/jrc/sites/jrcsh/files/jrc105010_161214_li-ion_battery_value_chain_jrc105010.pdf (Accedido el 26 Jul. 2018).

29 Lebedeva, N. et al. (2016). Lithium ion battery value chain and related opportunities for Europe. European Commission (2016) Disponible en: https://ec.europa.eu/jrc/sites/jrcsh/files/jrc105010_161214_li-ion_battery_value_chain_jrc105010.pdf (Accedido el 26 Jul. 2018).

30 GOV.UK (2017). Future electric vehicle batteries: long-lasting, cleaner, better. GOV.UK (2017). Disponible en: https://www.gov.uk/government/news/future-electric-vehicle-batteries-long-lasting-cleaner-better#history (Accedido el 26 Jul. 2018).

31 Nissan. (2018). Clean power energy | Nissan. xStorage by Nissan(2018) Disponible en: https://www.nissan.co.uk/experience-nissan/electric-vehicle-leadership/xstorage-by-nissan.html (Accedido el 26 Jul. 2018).

32 Sophia Boddenberg (2018). Chile’s lithium – blessing or curse? Made for minds(2018). Disponible en: https://www.dw.com/en/chiles-lithium-blessing-or-curse/a-43721539 (Accedido el 26 Jul. 2018).

33 Tarascon, J. (2018). Key challenges in future Li-battery research. Philosophical Transaction of the Royal Society a Mathematical, Physical and Engineering Science(2018). Disponible en: https://p.dw.com/p/2xRy7(Accedido el 26 Jul. 2018).

34 European Commission (2002). EU – Chile Association Agreement. European Commission (2002). Disponible en: https://eur-lex.europa.eu/resource.html?uri=cellar:f83a503c-fa20-4b3a-9535-f1074175eaf0.0004.02/DOC_2&format=PDF (Accedido el 15 Aug.2018)

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