Las baterías de litio son baterías que utilizan litio como ánodo . Este tipo de batería también se conoce como batería de iones de litio [1] y se utiliza más comúnmente para vehículos eléctricos y dispositivos electrónicos. [1] El primer tipo de batería de litio fue creado por el químico británico M. Stanley Whittingham a principios de la década de 1970 y utilizaba titanio y litio como electrodos. Las aplicaciones de esta batería estaban limitadas por los altos precios del titanio y el olor desagradable que producía la reacción. [2] La batería de iones de litio actual, diseñada a partir del intento de Whittingham por Akira Yoshino , se desarrolló por primera vez en 1985.
Si bien las baterías de iones de litio pueden utilizarse como parte de una solución sostenible, cambiar todos los dispositivos alimentados por combustibles fósiles a baterías basadas en litio podría no ser la mejor opción para el planeta. Todavía no hay escasez, pero es un recurso natural que puede agotarse. [3] Según los investigadores de Volkswagen, quedan alrededor de 14 millones de toneladas de litio, lo que corresponde a 165 veces el volumen de producción en 2018. [4]
El litio se extrae a escala comercial de tres fuentes principales: salmueras, arcillas ricas en litio y depósitos de roca dura. Cada método implica ciertas alteraciones ambientales inevitables. Los sitios de extracción de salmuera son, con diferencia, las operaciones más populares para extraer litio, ya que son responsables de alrededor del 66% de la producción mundial de litio. [5] El principal beneficio ambiental de la extracción con salmuera en comparación con otros métodos de extracción es que se necesita muy poca maquinaria durante la operación. [5] Mientras que los depósitos de roca dura y las arcillas ricas en litio requieren métodos de extracción relativamente típicos, que implican maquinaria pesada. [5] A pesar de este beneficio, todos los métodos se utilizan continuamente, ya que todos logran porcentajes de recuperación relativamente similares. [5] La extracción con salmuera logra un porcentaje de recuperación del 97%, mientras que los depósitos de roca dura logran un porcentaje de recuperación del 94%. [5]
La extracción de salmuera utiliza la evaporación al aire libre para concentrar la salmuera a lo largo del tiempo. Esto da como resultado la pérdida de grandes cantidades de agua debido a la evaporación. Cabe señalar que, en general, esta salmuera que se evapora tiene una salinidad muy alta, lo que hace que el agua no se pueda utilizar para ningún consumo agrícola o humano. [ 6] Posteriormente, la salmuera concentrada se traslada a una planta de producción cercana para producir Li2CO3 y LiOH•H2O . [ 7] Estas instalaciones de producción son responsables de la mayor parte de la contaminación atmosférica causada por los sitios de extracción de salmuera, ya que liberan gases nocivos como el dióxido de azufre al aire. [8]
La mayoría de los sitios de extracción de salmuera se encuentran en América del Sur , más específicamente, en Chile y Argentina , donde existen alrededor de la mitad de las reservas de litio del mundo en un lugar conocido como el "triángulo del litio". [5] En Chile , [9] el segundo mayor productor de litio del mundo, las dos minas activas del país, dirigidas por SQM y Albemarle, están ubicadas en el Salar de Atacama en el desierto de Atacama . [10] Las pruebas realizadas en las salmueras de estas minas mostraron que la salmuera tiene ~350 g/L de sólidos disueltos totales. [7] Los estudios sobre esta mina y los niveles freáticos del área han demostrado que el almacenamiento total de agua del Salar de Atacama disminuyó en -1,16 mm por año entre 2010 y 2017. [6] Existe una división compleja entre y dentro de las comunidades locales, con algunas aceptando pagos de las corporaciones mineras y tomando parte en sus iniciativas de desarrollo comunitario, mientras que otras son desatendidas por tales programas o rechazan las ofertas de las corporaciones debido a sus preocupaciones ambientales antes mencionadas. [11] [12] En Tagong , una pequeña ciudad en la Prefectura Autónoma Tibetana de Garzê en China, hay registros de productos químicos peligrosos como ácido clorhídrico que se filtran en el río Liqi desde las instalaciones mineras de litio cercanas. [13] Como resultado, se vieron peces muertos y animales grandes flotando en el río Liqi y otros ríos cercanos cerca de las minas tibetanas. [13] Después de una investigación más profunda, los investigadores descubrieron que esto puede haber sido causado por fugas de piscinas de evaporación que permanecen asentadas durante meses y, a veces, incluso años. [14]
El litio también se puede extraer de depósitos de roca dura . Estos depósitos se encuentran más comúnmente en Australia , el mayor productor de litio del mundo, [5] a través de minerales de espodumena. Los minerales de espodumena y otros depósitos de roca dura que contienen litio son mucho menos abundantes en todo el mundo que las salmueras continentales. [6] Aunque los depósitos se encuentran y están disponibles para la minería con mucha menos frecuencia, los costos operativos son muy similares a los costos de operación de una operación de extracción de salmuera. [5] Como resultado, se siguen creando y utilizando sitios de extracción de depósitos de roca dura a pesar de que las salmueras de sal son mucho más comunes de encontrar y, por lo general, tienen un impacto ambiental menor. [6]
La extracción de litio de arcillas ricas en litio implica primero la extracción de las propias arcillas, lo que genera mucha contaminación atmosférica. Hay varios minerales dentro de la arcilla que contienen litio, como lepidolita , hectorita , masutomilita, zinnwaldita , swinefordita, cookeíta y jadarita . [15] Después de extraer estos minerales del suelo, las arcillas se procesan para extraer el litio, esto generalmente se hace a través de reacciones químicas como la acidificación. [15] Este proceso químico puede dar lugar a la producción de gases y sustancias químicas nocivas como subproductos que pueden provocar fácilmente contaminación si no se manipulan adecuadamente. [15] Las arcillas ricas en litio son la tercera fuente principal de litio, aunque son mucho menos abundantes que las salmueras y los minerales de roca dura que contienen litio. Para ser exactos, las arcillas ricas en litio representan menos del 2% de los productos de litio del mundo. [16] A modo de comparación, la extracción de salmuera representa el 39% y los minerales de roca dura representan el 59% de la producción de litio. [16]
Algunos tipos de baterías de iones de litio, como las NMC, contienen metales como níquel , manganeso y cobalto , que son tóxicos y pueden contaminar los suministros de agua y los ecosistemas si se filtran de los vertederos. [17] Además, los incendios en vertederos o instalaciones de reciclaje de baterías se han atribuido a la eliminación inadecuada de las baterías de iones de litio. [18] Como resultado, algunas jurisdicciones exigen que las baterías de iones de litio se reciclen. [19] A pesar del coste medioambiental de la eliminación inadecuada de las baterías de iones de litio, la tasa de reciclaje sigue siendo relativamente baja, ya que los procesos de reciclaje siguen siendo costosos e inmaduros. [20] Un estudio realizado en Australia en 2014 estima que en 2012-2013, el 98% de las baterías de iones de litio se enviaron al vertedero. [21]
Las baterías de iones de litio deben manipularse con sumo cuidado desde su creación hasta su transporte y reciclaje. El reciclaje es de vital importancia para limitar el impacto ambiental de las baterías de iones de litio. Al reciclarlas, se pueden reducir las emisiones y el consumo de energía, ya que sería necesario extraer y procesar menos litio. [22]
La EPA tiene directrices sobre el reciclaje de baterías de litio en los EE. UU. Existen diferentes procesos para baterías de un solo uso o recargables, por lo que se recomienda que las baterías de todos los tamaños se lleven a centros de reciclaje especiales. Esto permitirá un proceso más seguro de descomposición de los metales individuales que se pueden recuperar para su uso posterior. [23]
En la actualidad, se utilizan tres métodos principales para el reciclaje de baterías de iones de litio: la recuperación pirometalúrgica, la recuperación hidrometalúrgica de metales y el reciclaje mecánico. [22] Un estudio realizado en 2016 con varias plantas de reciclaje en Australia descubrió que el reciclaje mecánico recuperaba la mayor cantidad de materiales, recuperando 7 de los 10 materiales posibles de las baterías de iones de litio en promedio. [22] Este mismo estudio también descubrió que la hidrometalurgia recuperaba 6 de cada 10 materiales en promedio y los procesos pirometalúrgicos recuperaban solo la mitad de los materiales posibles en promedio. [22]
Los procesos dentro de la recuperación pirometalúrgica incluyen pirólisis, incineración, calcinación y fundición. [22] En la actualidad, la mayoría de los procesos industriales tradicionales no son capaces de recuperar litio. El proceso principal es extraer otros metales, como cobalto, níquel y cobre. Existe una eficiencia de reciclaje muy baja en materiales y uso de recursos de capital. Hay altos requerimientos de energía junto con mecanismos de tratamiento de gas que producirán un menor volumen de subproductos de gas. [24]
La hidrometalurgia utiliza reacciones químicas para disolver materiales en una solución, que luego se precipita para recuperar la materia prima deseada. [22] Este método de reciclaje destruye todos los materiales orgánicos, como el plástico, durante el proceso. [22] Dicho esto, la hidrometalurgia logra una pureza muy alta en los metales recuperados, lo que la convierte en un buen método de reciclaje. [22] Se utiliza comúnmente para la recuperación de cobre. Este método se ha utilizado para otros metales para ayudar a eliminar el problema de los subproductos de dióxido de azufre que causa la fundición más convencional. [25]
El reciclaje directo o mecánico implica la descomposición de las baterías de iones de litio viejas para extraer componentes y/o materiales importantes y utilizables para reutilizarlos en baterías nuevas. [22] Este proceso implica triturar o aplastar las baterías viejas y luego extraer los materiales. [22] Esto puede provocar contaminación cruzada que puede hacer que ciertos materiales o componentes no sean reciclables. [22] Si bien esta forma de reciclaje es una opción, generalmente sigue siendo más cara que la extracción de los propios minerales. [26] Con la creciente demanda de baterías de iones de litio, la necesidad de un programa de reciclaje más eficiente es perjudicial, ya que muchas empresas compiten por encontrar el método más eficiente. Uno de los problemas más urgentes es que, cuando se fabrican las baterías, el reciclaje no se considera una prioridad de diseño. [27] La ventaja de este método de reciclaje es que generalmente implica muy poca contaminación, si es que hay alguna, del proceso, mientras que los dos métodos anteriores pueden producir sustancias químicas y gases nocivos. [22]
Las baterías de iones de litio tienen múltiples usos, ya que son ligeras, recargables y compactas. Se utilizan principalmente en vehículos eléctricos y dispositivos electrónicos portátiles, pero también se utilizan cada vez más en aplicaciones militares y aeroespaciales . [28]
La industria principal y la fuente de la batería de iones de litio son los vehículos eléctricos (VE). Los vehículos eléctricos han experimentado un aumento masivo en las ventas en los últimos años, y más del 90% de todos los mercados automovilísticos mundiales tenían incentivos para los VE en 2019. [29] Con este aumento en las ventas de VE y la venta continua de los mismos, podemos ver una mejora significativa en los impactos ambientales a partir de la reducción de las dependencias de los combustibles fósiles . [30] Ha habido estudios recientes que exploran diferentes usos para las baterías de iones de litio recicladas, específicamente de vehículos eléctricos. En concreto, se ha demostrado que el uso secundario de baterías de iones de litio recicladas de vehículos eléctricos para su uso secundario en la reducción de picos de carga de energía en China es eficaz para las empresas de la red. [31] Con las amenazas ambientales que plantean las baterías de iones de litio gastadas junto con los futuros riesgos de suministro de componentes de batería para vehículos eléctricos, se debe considerar la remanufactura de baterías de litio. Basándose en el modelo EverBatt, se realizó una prueba en China que concluyó que la remanufactura de baterías de iones de litio solo será rentable cuando el precio de compra de las baterías gastadas se mantenga bajo. El reciclaje también tendrá importantes beneficios en términos de impacto ambiental. En términos de reducción de gases de efecto invernadero, vemos una reducción del 6,62% en las emisiones totales de GEI con el uso de la remanufactura. [32]