Da pesar de lo probable obstáculos en el camino por delante, causados por economías tambaleantes y escasez de componentes, es probable que se vendan más de 13 millones de automóviles de pasajeros totalmente eléctricos o híbridos enchufables este año, según BloombergNEF. Esto tomará el número de VEs en las carreteras del mundo desde 27 m hasta más de 40 m. Pero eso sigue siendo solo alrededor del 3% de la flota de vehículos del planeta. Faltando otro 97%, la electrificación masiva del transporte significa que habrá una gran demanda de baterías y los materiales con los que están hechas.
Los fabricantes de automóviles ya están preocupados por los precios en espiral y los suministros limitados de litio, el ingrediente crucial de las baterías de iones de litio en el corazón de esta revolución. También les preocupa el cobalto y otros ingredientes utilizados para fabricar cátodos, los electrodos positivos dentro de esas baterías (aunque los recientes descubrimientos de nuevas reservas han disipado esas preocupaciones en lo que respecta al cobalto en particular). Sin embargo, se necesitan dos para bailar tango. Para cada cátodo, una batería necesita un ánodo, un electrodo negativo. Los ánodos están hechos de grafito, y se está gestando un shock de suministro de ese material.
El grafito es una forma de carbono en la que los átomos están dispuestos en láminas. Entre otras cosas, es el material que se usa como “mina” en los lápices, apenas la más alta de las aplicaciones tecnológicas. Como tal, los ánodos se han visto como un poco aburridos en comparación con los cátodos, con un suministro abundante de materia prima a partir de la cual se pueden fabricar. Pero, impulsado por el crecimiento VE ventas, la demanda de grafito se triplicará de 1,2 millones de toneladas en 2022 a más de 4 millones de toneladas al año para 2030, según Benchmark Mineral Intelligence, una firma de analistas en Londres. Por el momento, la oferta está creciendo a solo dos tercios de esa tasa. Por lo tanto, es posible que no haya suficiente grafito para todos, especialmente porque este material tiene otros grandes usuarios, como la industria del acero.
El grafito que se usa en las baterías viene en dos formas, las cuales tienen ventajas y desventajas. Una es natural, excavada en el suelo, aunque las minas que producen las mejores leyes son pocas y distantes entre sí. El otro es sintético, proveniente del tostado del llamado coque de aguja, un subproducto creado en algunas plantas petroquímicas y de procesamiento de carbón. Este tostado es un proceso intensivo en energía que da como resultado altos niveles de emisiones. Por el momento, la mayor parte del grafito para ánodos se fabrica de esta manera, pero se espera que los fabricantes de automóviles preocupados por sus credenciales ecológicas busquen cada vez más la variedad mineral más limpia, dice Andrew Miller de Benchmark.
Cavar más profundo
Cualquiera que sea su procedencia, el grafito tiene que ser purificado a un nivel de 99,95% o mejor, ya que la más mínima impureza interfiere con el flujo de entrada y salida de los iones de litio. Cuando se carga una batería, estos iones se crean en el cátodo quitando electrones de los átomos de litio. Los electrones se envían hacia el ánodo a través de un circuito externo, y los iones también se envían en esa dirección a través de un electrolito dentro de la batería. Cuando llegan al ánodo, estos iones se unen a los electrones suministrados por el circuito externo y así se vuelven a formar átomos de litio. A continuación, se almacenan en las capas atómicas del grafito hasta el momento en que se llama a la batería para que suministre energía. Luego, el proceso se invierte, pero con los electrones en el circuito externo alimentando un dispositivo, como un VEmotor eléctrico.
Hasta ahora, el grafito sigue siendo el mejor material disponible para ánodos. Pero purificarlo es un asunto complicado. Convencionalmente, se utilizan productos químicos altamente corrosivos, como el ácido fluorhídrico, para disolver las impurezas. La mayor parte de este procesamiento se realiza en China. Los fabricantes de automóviles han estado lo suficientemente nerviosos por el control de ese país sobre alrededor del 60% del litio del mundo. Pero, cuando se trata de grafito, China domina más del 90% de la cadena de suministro.
Todas estas cosas han llevado a varias empresas a comenzar a buscar diversificar sus suministros abriendo minas de grafito y plantas de procesamiento en otros lugares, particularmente en América y Europa. Como esas operaciones a menudo se encuentran en lugares que imponen estrictas restricciones ambientales a la industria, se necesitan métodos más limpios. Aunque las empresas desconfían de divulgar secretos comerciales, los enfoques que están diseñando deberían ayudar a limpiar la industria.
Oro negro
Una de las primeras plantas de ánodos de baterías de Europa, en Lulea, al norte de Suecia, ya ha comenzado a suministrar muestras de producción a los fabricantes de automóviles. Esta fábrica, propiedad de Talga, una empresa de Perth, Australia, se alimenta de una mina de grafito que la empresa ha desarrollado cerca de Vittangi, 300 km aún más al norte. La mina Vittangi produce algunos de los grafitos de mayor calidad del mundo, lo que significa que se genera menos material de desecho. Por lo tanto, el impacto ambiental puede mantenerse bajo, dice Mark Thompson, jefe de Talga.
La planta de Lulea utiliza un proceso llamado tostado alcalino a baja temperatura para liberar las impurezas de la estructura cristalina del grafito. Luego se lavan con ácidos más suaves que el fluorhídrico. Thompson dice que esto produce menos desperdicio que los enfoques convencionales. Para obtener puntos verdes adicionales, la fábrica funciona con el amplio suministro de energía hidroeléctrica renovable de Suecia. La firma apunta a un análisis independiente que encuentra que la combinación produce un 96% menos de emisiones de gases de efecto invernadero que la fabricación de grafito sintético. Sin embargo, Talga está trabajando en procesos propios para que la producción sea aún más ecológica.
Como es habitual en la industria, una vez que se purifica el grafito, se convierte en pequeñas esferas que forman un fino polvo negro, antes de enviarse a los fabricantes de baterías. Su forma permite que estas partículas se empaqueten de manera eficiente en un ánodo, lo que aumenta el contacto entre ellas y, por lo tanto, la conductividad general. La fabricación de ánodos en sí se realiza convirtiendo el grafito en una suspensión y luego recubriéndolo en tiras de película de cobre.
Talga espera que su operación sueca produzca más de 100.000 toneladas de grafito anódico al año. Dependiendo del tamaño y las características de rendimiento de un VE, su batería podría contener entre 70 y 90 kg de grafito. Por lo tanto, la producción anual de la compañía podría usarse para impulsar más de 1 millón de vehículos nuevos.
Del otro lado del mundo, Anthony Houston, fundador de Graphite One, una firma en Vancouver, Canadá, está intentando algo similar. Su empresa está llevando a cabo una explotación minera en el apropiadamente llamado Graphite Creek, cerca de Nome, en el oeste de Alaska (muestras de las cuales se muestran en la imagen de la página anterior). Se estima que contiene más de 8 millones de toneladas del material, el depósito más grande de los Estados Unidos, un país que, desde la década de 1950, ha importado todo su grafito.
La idea, dice el Sr. Houston, es enviar el grafito al sur a una planta de procesamiento que se construiría en un sitio aún por determinar en el estado de Washington. Aquí sería depurado y procesado, utilizando también energía renovable. Graphite One está trabajando con Sunrise New Energy, una empresa china de materiales de ánodo en Zibo, provincia de Shandong, en un sistema de purificación que calentaría suavemente el grafito en presencia de gases de limpieza reciclables.
Nico Cuevas, jefe de una firma llamada Urbix, está buscando una forma completamente diferente de procesar el grafito. Urbix ha construido una planta de demostración en su base en Mesa, Arizona. Se entiende que esto utiliza calor y medios mecánicos para excitar las escamas de grafito de tal manera que las capas de carbono del interior se abren, lo que permite que las impurezas se eliminen con productos químicos menos dañinos.
El método Urbix es un proceso de baja energía lo suficientemente limpio como para llevarse a cabo en un sitio zonificado para uso industrial ligero, dice el Sr. Cuevas. La empresa utilizará grafito de fuentes potenciales dentro de América del Norte y ha firmado un acuerdo de desarrollo conjunto con SK On, un gigante de baterías de Corea del Sur. SK On ya tiene dos gigafábricas de baterías en Estados Unidos y formó una empresa conjunta con Ford para construir tres más.
Los investigadores están desarrollando ánodos que utilizan otros materiales. Los ánodos de silicio y de metal de litio son teóricamente más eficientes para almacenar energía, pero ambos presentan problemas. El silicio, en particular, se hincha y se contrae con la carga y descarga, lo que podría dañar la batería. Sin embargo, pequeñas dosis de dicho material se pueden mezclar con grafito para mejorar su rendimiento. Urbix dice que su proceso permite que tales sustancias se incorporen dentro del núcleo de sus esferas de grafito.
Otra posibilidad es utilizar un tipo diferente de carbón. Stora Enso, una empresa finlandesa de productos forestales, cree que puede fabricar material anódico a partir de lignina. Este es un polímero natural que le da a la madera su rigidez, pero se trata como un producto de desecho cuando la madera se transforma en papel. Normalmente, se quema para generar calor. Stora Enso planea refinarlo en polvo de carbón.
Stora Enso no entrará en detalles sobre cómo hacen esto, aparte de decir que su proceso implica varios tratamientos térmicos y mecánicos que tienen lugar a temperaturas más bajas que las que se emplean convencionalmente para producir grafito sintético. Northvolt, un fabricante de baterías sueco, está considerando utilizar el material de la empresa.
Las alternativas al grafito, sin duda, seguirán progresando. Pero con una inversión tan grande en las gigafábricas (casi 300.000 millones de dólares en los últimos cuatro años, según Benchmark, y la mayor parte basada en la familiaridad con el material existente), parece que el grafito se mantendrá firme durante algún tiempo. Con nuevas minas de bajo impacto y procesos más limpios, el lado oscuro del automóvil eléctrico pronto debería volverse un poco más verde. ■
