Para las empresas estadounidenses, la carrera por la nueva batería para vehículos eléctricos ha comenzado

Apr 29, 2024

Una camioneta eléctrica Rivian R1T en la fábrica de la empresa en Normal, Illinois. Jamie Kelter Davis/Bloomberg vía Getty Images

Estimulados por mandatos e incentivos federales, los fabricantes estadounidenses están impulsando el desarrollo de nuevas tecnologías de baterías para vehículos eléctricos. El santo grial es una batería que es más segura, cuesta menos, proporciona mayor autonomía y no utiliza minerales “conflictivos” importados.

Por Judith Lewis Mernit • 20 de diciembre de 2022

Han pasado dieciséis años desde que el ingeniero Martin Eberhard presentó su deportivo futurista diseñado a medida ante una multitud de inversores, periodistas y compradores potenciales en un hangar del aeropuerto de Santa Mónica. El Roadster, como se le llamaba, contenía mucha ingeniería innovadora, pero nada en él importaba más que las 6.831 celdas de batería de iones de litio empaquetadas en su compartimiento trasero, que le daban al vehículo su alcance y velocidad. "El sistema de batería es el secreto", explicó Eberhard en ese momento, "detrás de nuestra aceleración de 0 a 60 mph en cuatro segundos".

Eberhard y su colaborador, Marc Tarpenning, bautizaron su nueva empresa de vehículos eléctricos con el nombre de Nikola Tesla, y dos años más tarde, en 2008, Tesla se convirtió en el primer vehículo propulsado por iones de litio producido comercialmente que llegó al mercado del automóvil. Las baterías de iones de litio, o li-ion, fueron un gran paso adelante con respecto a las baterías de hidruro metálico de níquel (Ni-MH) que habían estado impulsando la mayoría de los vehículos híbridos y eléctricos, incluido el popular Prius. La mejor densidad de energía del litio significa que una batería de iones de litio puede almacenar un tercio más de vatios-hora por kilogramo que las baterías de Ni-MH, lo que significa que duran más y pesan menos.

Pero la batería de litio todavía tiene serios inconvenientes. Depende de minerales críticos importados (no sólo litio, sino también cobalto, cobre, grafito y níquel) que se obtienen excavando montañas o bombeando agua subterránea escasa del desierto a estanques, esperando luego a que el agua se evapore y deje el mineral atrás. La República Democrática del Congo produce más del 70 por ciento del cobalto del mundo, a menudo explotando el trabajo infantil en condiciones laborales inseguras. Otros minerales provienen de países con los que Estados Unidos preferiría aflojar los lazos económicos, incluida Rusia, que proporciona el 20 por ciento de las menguantes reservas de níquel del mundo, y China, que suministra prácticamente todo el grafito utilizado en las baterías de vehículos eléctricos a nivel internacional.

"No necesariamente tenemos la capacidad de obtener algunos minerales a menos que vayamos a lugares que se definen como no aceptables", dice Ben Prochazka, director ejecutivo de Electrification Coalition, una organización sin fines de lucro que trabaja para alejar el transporte de los combustibles fósiles. Pronto, es posible que no podamos obtener ciertos minerales en absoluto: China, por ejemplo, ha amenazado con conservar su grafito para su propia y prodigiosa industria de baterías; Los analistas de mercado predicen que la demanda mundial de litio superará la oferta para 2030. "Tenemos que encontrar una forma diferente de fabricar baterías", dice Prochazka.

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Con mandatos e incentivos estatales y federales que empujan a las compañías automotrices a priorizar los vehículos propulsados ​​por baterías en sus flotas, y con los precios volátiles de la gasolina empujando a más consumidores hacia el transporte sin emisiones, los fabricantes de automóviles y las compañías de baterías se están apresurando a hacer justamente eso. Están trabajando para desarrollar diferentes formas de fabricar baterías y, al mismo tiempo, reducir los costos, aumentar la densidad de energía (lo que se traduce en una autonomía de conducción más importante) y alejar a la industria de lo que el gobierno de Estados Unidos llama “entidades extranjeras de interés”.

Las baterías que reemplazan los llamados minerales conflictivos por minerales nacionales han avanzado más allá de la investigación y el desarrollo hasta sus fases de prueba; ya se está produciendo comercialmente una batería que reduce el cobalto en favor del níquel, el manganeso y el aluminio; Varias empresas están trabajando en baterías de estado sólido, que no utilizan líquidos potencialmente inflamables, y abundan los planes para construir gigafábricas dedicadas a la fabricación de baterías en Estados Unidos.

Se espera que la aprobación de dos nuevas leyes federales, la Ley de Reducción de la Inflación (IRA) de 2022 y la Ley de Empleo e Inversión en Infraestructura de 2021, impulse la industria. Estados Unidos ha ofrecido un crédito fiscal de 7.500 dólares a los compradores de la mayoría de los vehículos eléctricos nuevos desde finales de 2009; pero a partir de 2023, la IRA vincula ese crédito fiscal a ciertos requisitos para el abastecimiento de minerales críticos y la fabricación de baterías. Para 2029, solo los vehículos eléctricos con un 80 por ciento de sus minerales provenientes de los EE. UU. o sus naciones aliadas y un 100 por ciento de componentes fabricados o ensamblados en América del Norte calificarán para el crédito completo.

En conjunto, los proyectos de ley transformarán la industria de baterías de vehículos eléctricos y forzarán la innovación, de manera muy parecida a lo que hizo la Ley de Recuperación y Reinversión de Estados Unidos en la década de 2010, cuando Tesla obtuvo un préstamo federal de 465 millones de dólares para completar el desarrollo de su sedán Modern S y abrir su planta. en Fremont, California. Si el cobalto y el níquel son difíciles de conseguir, dice Prochazka, entonces “hagamos baterías que utilicen menos cobalto o nada de cobalto. O fabriquemos baterías que utilicen menos níquel”. China refina casi todos los minerales utilizados por los fabricantes de baterías, añade Prochazka, "por lo que ahora tendremos instalaciones de procesamiento en EE. UU." El mes pasado, Panasonic Energy, con sede en Nevada, anunció que en 2025 comenzaría a fabricar baterías para vehículos eléctricos a partir de níquel reciclado en ese estado.

Michael Maten, estratega senior de GM para vehículos eléctricos y política energética, dice que el cambio se produciría independientemente de que el Congreso actuara o no. En 2021, cuando la directora ejecutiva de GM, Mary Barra, se comprometió a ser 100 por ciento eléctrica para 2035, Maten dice: "Lo primero que dijimos fue: 'Oh, vamos a necesitar muchas baterías'". Examinar detenidamente la cadena de suministro y hacer "un esfuerzo concertado para llevarla a tierra o cerca de ella para asegurarse de que sea sostenible". Ahora, dice, “prácticamente todos los meses contratamos a otro socio para asegurar” minerales críticos.

El fracaso no es una opción, afirma Maten. “Estamos transformando un negocio de 100 años basado en motores de combustión interna en un negocio exclusivamente de vehículos eléctricos. Queremos asegurarnos de que estemos presentes por otros 100 años”.

En una videollamada, George Liddle, director de análisis de Lyten, una empresa con sede en San José que se especializa en fabricar compuestos para baterías, sostiene una hoja de papel con el borde hacia afuera. "Eso es grafeno bidimensional", dice, que es estructuralmente similar a una red de fútbol colocada en posición horizontal, "sólo que en forma nanométrica". Luego, Liddle arruga el papel hasta formar una bola. “Si haces esto, terminarás con grafeno 3D, que es 1.000 veces más reactivo, eléctrica y químicamente” que la versión plana.

Lyten comenzó como un esfuerzo comercial para recolectar metano residual de los campos petroleros, convertirlo en carbono inerte y secuestrarlo en las profundidades del subsuelo. “Resultó que la economía no servía en absoluto para eso”, me dice Liddle. La empresa pasó a las baterías cuando uno de sus investigadores descubrió que el grafeno derivado de ese carbono podría usarse como amortiguador entre el litio y el azufre dentro de un nuevo tipo de batería.

Un trabajador verifica las conexiones en el panel de la batería de un vehículo eléctrico en la sede de Lucid Motors en Newark, California. David Paul Morris/Bloomberg vía Getty Images

"El azufre tiene aproximadamente cuatro veces el potencial de almacenamiento de energía que el níquel, el manganeso o el cobalto", dice Liddle, "y es literalmente muy barato: es un subproducto de las operaciones petroquímicas". Los perforadores de petróleo lo regalan por toneladas. El hecho de que nadie haya fabricado nunca una batería de litio-azufre con una aplicación comercial (aunque algunos lo han intentado) habla de lo difícil que es hacerlo. A medida que las celdas dentro de la batería se cargan y luego se descargan, el litio se une al azufre y se libera en forma de iones de litio. Con cada ciclo, el compuesto pasa por una serie de complejas conversiones químicas hasta que ni el litio ni el azufre permanecen en forma utilizable. "La batería realiza ciclos unas 100 veces y luego se agota", explica Liddle, "porque básicamente se envenenó".

Ahora Liddle simula insertar una sustancia (azufre) en los espacios del papel enrollado, el sustituto del grafeno. "Resulta que si se toma el azufre y se lo incrusta profundamente en las nanogrietas del grafeno, se fuerza la conversión de litio-azufre en litio y azufre", dice. El grafeno divide los dos químicos, por lo que los átomos de azufre y los iones de litio no destruyen la batería.

Se puede considerar una celda de batería como un sándwich: un cátodo cargado positivamente y un ánodo cargado negativamente alrededor de un electrolito que pasa iones de un lado al otro. El electrolito es casi siempre un disolvente orgánico viscoso. Las celdas de la batería de Lyten tienen todos esos componentes, pero estructuradas de manera un poco diferente. "Se puede pensar en nuestra celda de batería como una inmersión francesa", dice Liddle. "El electrolito lo impregna todo".

Las baterías de estado sólido, por el contrario, no utilizan ningún electrolito, reemplazándolo por un polímero o cerámica que cumple la misma función pero sin el riesgo de inflamabilidad de los disolventes orgánicos. Los automóviles que funcionan con gasolina se incendian más fácilmente y con más frecuencia que los vehículos eléctricos equipados con baterías de iones de litio. Pero las baterías de iones de litio son particularmente vulnerables a un fenómeno conocido como “fuga térmica”, donde la celda en llamas no puede liberar calor más rápido de lo que lo genera. Como aprendieron los bomberos de Florida después de que Teslas empapados de agua salada se incendiaran tras la marejada ciclónica del huracán Ian, se necesita una enorme cantidad de agua para apagar un incendio químico: hasta 40 veces más de lo que se necesita para extinguir el incendio de un automóvil de gasolina.

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Un puñado de fabricantes de automóviles, incluidos Ford y Mercedes-Benz, se han asociado con fabricantes de baterías para explorar la tecnología de estado sólido. Factorial Energy, que está a punto de abrir una nueva fábrica en Methuen, Massachusetts, espera lanzar baterías de estado sólido para vehículos eléctricos en algún momento entre 2028 y 2030.

La mayoría de las baterías utilizan electrolitos líquidos por una buena razón, explica Ahmad Pesaran, ingeniero jefe de almacenamiento de energía de los Laboratorios Nacionales de Energía Renovable. Un fluido puede fluir por cada espacio vacío para mantener el contacto entre el ánodo y el cátodo. Sin embargo, para que un electrolito sólido funcione, "debe tener superficies realmente buenas que puedan fusionarse", dice Pesaran. Los materiales también deben resistir la presión sin agrietarse, una tarea difícil para las cerámicas frágiles utilizadas en algunas aplicaciones de estado sólido.

Una batería de estado sólido producida por Factorial Energy, que se espera que abra una fábrica en Massachusetts en 2023. Factorial

De hecho, algunos expertos afirman que es más probable que los investigadores de baterías tengan éxito en la comercialización de ánodos de silicio que en el perfeccionamiento de una tecnología de estado sólido. El silicio tiene potencialmente el doble de densidad energética que el grafito, que normalmente se utiliza en las baterías de iones de litio, y está mucho más disponible. (La materia prima del silicio es arena). Una batería de ánodo de silicio podría estar disponible en tan solo unos años.. El principal desafío ha sido la tendencia del silicio a expandirse a medida que se carga y descarga. "El volumen cambia casi un 300 por ciento si lo haces a su máxima capacidad", dice Brian Cunningham, gerente de desarrollo tecnológico del Departamento de Energía de EE. UU., "y eso crea mucha tensión mecánica en toda la estructura", lo que hace que Es poco probable que la batería pueda sobrevivir a los ciclos de carga y descarga necesarios de un vehículo comercial. "Estamos diseñando soluciones para reducir ese estrés y tensión", dice.

Una mejor idea que debatir tecnologías de vanguardia, dice Maten de GM, es simplemente observar qué materiales almacenan la mayor cantidad de energía al menor costo y se pueden obtener sin destruir las aldeas costeras de Indonesia en busca de níquel o depender de regímenes autoritarios. Los precios de las baterías de iones de litio son volátiles, pero en este momento cuestan alrededor de 150 dólares por kilovatio-hora. Para lograr la paridad de costos con los motores de gasolina, ese precio tiene que bajar a al menos 100 dólares por kilovatio-hora, aunque algunos fabricantes de automóviles están considerando 60 dólares por kilovatio-hora. Hay muchas maneras de llegar allí, pero nadie sabe cuándo sucederá. "Todo esto todavía se produce en un entorno de laboratorio", dice Maten.

En el mundo real, las personas que compran vehículos serán los árbitros finales del éxito de la tecnología de baterías, afirma Cunningham del DOE. Lo que importa es crear una batería que supere las expectativas de los conductores en cuanto a alcance y aceleración a un costo que haga que el debate entre electricidad y gasolina sea discutible. "En algún momento llegaremos a este punto de cruce en el que los vehículos eléctricos de batería son más baratos que los convencionales", afirma. No le importa mucho cómo llegamos allí: batería de estado sólido, silicio o algún otro diseño de batería innovador. El Departamento de Energía de Estados Unidos, señala, es “independiente de la química”.

En octubre, el DOE anunció 2.800 millones de dólares en subvenciones para 20 empresas diferentes que trabajan para impulsar la producción y el procesamiento de minerales críticos en Estados Unidos. En enero se anunciará otra ronda de financiación para empresas específicas. Jigar Shah, director de la oficina de programas de préstamos del DOE, dijo en un vídeo dirigido a investigadores y fabricantes que el IRA añadió 40.000 millones de dólares a la autoridad crediticia de la agencia para apoyar el Programa de Fabricación Avanzada de Vehículos. "El objetivo del programa es realmente consolidar y relocalizar la cadena de suministro para el sector automotriz a medida que descarbonizamos aquí en este país", dijo. El 12 de diciembre, el DOE otorgó un préstamo de 2.500 millones de dólares a Ultium Cells, una empresa conjunta entre GM y LG Energy Solution que producirá baterías con bajo contenido de cobalto en tres instalaciones estadounidenses.

Un trabajador sube por una mina de cobre y cobalto en Kawama, República Democrática del Congo. Michael Robinson Chávez / The Washington Post vía Getty Images

Es importante señalar que simplemente construir una cadena de suministro de vehículos eléctricos dentro de EE. UU. y sus naciones aliadas no la hace sostenible, al menos no en el sentido ecológico y de salud pública. Chile es técnicamente una nación amiga de Estados Unidos, pero la minería de litio en el desierto de Atacama amenaza las aguas subterráneas y drena lagunas de las que dependen las comunidades locales y la vida silvestre. El noventa y siete por ciento de todas las reservas de níquel en Estados Unidos se encuentran dentro de 35 millas de las comunidades nativas americanas, al igual que el 89 por ciento de las reservas de cobre.

Incluso en el Valle Imperial del sur de California, donde la extracción de litio (de la salmuera que ya se bombea a 11 plantas de energía geotérmica) ha sido anunciada como una bendición económica potencial para una comunidad agrícola en dificultades, los defensores de la justicia ambiental se preocupan por los posibles impactos negativos. Con una población de 179.000 habitantes, el Valle Imperial es más del 85 por ciento latino y ha sufrido durante mucho tiempo los efectos en la salud de la deriva de pesticidas de los campos agrícolas y las partículas en el aire provenientes del moribundo Mar Salton. Los impactos de la minería del litio en la salud pública aún no se han explorado.

La Comisión de Energía de California estima que el “Valle del Litio”, como llama al proyecto del Valle Imperial, podría abastecer hasta el 40 por ciento de la demanda mundial de litio, y ya ha invertido 16,5 millones de dólares en el desarrollo del recurso. Lo que significa que la producción de litio probablemente seguirá adelante pase lo que pase. El litio, como le gusta decir a Elon Musk, es de hecho el nuevo petróleo.

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Cualesquiera que sean los inconvenientes, la adquisición de litio (sin importar dónde se encuentre) probablemente no disminuirá. Nuestra dependencia de los motores de gasolina y diésel no sólo daña el clima y nuestros pulmones, dice Prochazka de la Coalición para la Electrificación, sino que también representa un importante riesgo para la seguridad nacional. “Seguimos exportando miles de millones de dólares anualmente a países que no comparten nuestros ideales”, señala. La tecnología de las baterías puede no ser benigna en todos los sentidos, pero “tenemos mucho mayor control sobre cómo generamos electrones” que sobre dónde obtenemos nuestro petróleo. “El futuro del transporte”, afirma, “es la electrificación. Ese debate ha terminado”.

Judith Lewis Mernit escribe sobre energía, medio ambiente y justicia social desde Los Ángeles, California. Su trabajo ha aparecido en High Country News, The Atlantic, Sierra y Audubon. Encuéntrela en Twitter como @judlew. Más sobre Judith Lewis Mernit →

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