La paradoja de la batería de litio: energía frente a medio ambiente

El científico, inventor y padre fundador estadounidense, Benjamin Franklin, utilizó por primera vez el término «batería» en 1749 cuando realizaba experimentos con electricidad utilizando condensadores enlazados. Sin embargo, el físico italiano Alessandro Volta inventó la primera batería que realmente funcionaba en 1800. Apiló discos de cobre (Cu) y zinc (Zn) separados por tela empapada en agua salada.

Avance rápido 270 años, a medida que los esfuerzos globales continúan impulsando la innovación hacia soluciones de energía alternativa y las baterías de iones de litio, también conocidas como baterías de iones de litio (LIB), se han convertido rápidamente en una tecnología energética fundamental. Las innovaciones en la densidad de energía de LIB continúan brindando a las industrias energética, automotriz y tecnológica baterías más pequeñas capaces de mayores capacidades de energía.

Además, su larga vida útil, baja toxicidad y configuraciones livianas posicionan a las LIB como una de las tecnologías de baterías más dominantes del futuro. Sin embargo, aunque las LIB pueden impulsar las soluciones de energía verde a la ubicuidad, paradójicamente, uno de los mayores obstáculos para las LIB es la carga que supone para el medio ambiente el abastecimiento de materias primas.

La adquisición de materias primas como litio, cobalto y grafito tiene una variedad de consideraciones ambientales y de seguridad que deben abordarse para garantizar prácticas de desarrollo ético. Entonces, hablemos de los problemas relacionados con la adquisición de materias primas, enfatizando cómo resolverlos.

¿De qué está hecha una batería de iones de litio?

 Los LIB consisten en un separador, un electrolito, un electrodo negativo (comúnmente grafito) y un electrodo positivo, típicamente capas de óxidos de metales de transición de litio, es decir, cobalto, níquel y manganeso.

(Figura 1.) El separador, que actúa como aislante, está saturado con un electrolito, es decir, hexafluorofosfato de litio, que se disuelve en disolventes de carbonato orgánico.


Anatomía general de una batería de iones de litio.

La única forma de extraer estos materiales es mediante la minería. La minería y el refinamiento de metales de alta pureza seguirán aumentando la complejidad de las técnicas de procesamiento en el futuro. Las consideraciones de seguridad y los beneficios operativos son los principales mecanismos que impulsan la evolución de las innovaciones tecnológicas de la minería.

Principales preocupaciones de seguridad

Los trabajadores de extracción de materias primas a los que se enfrentan incluyen la exposición a altos niveles de partículas metálicas que se encuentran en el polvo durante la extracción y las tareas operativas de alto riesgo.

Exposición a polvo contaminado

Las partículas de polvo que contienen grafito plantean una grave preocupación en ciudades mineras como Mashan, China. Las operaciones mineras y las plantas de procesamiento están cubiertas con grandes cantidades de polvo cargado de grafito, lo que representa un grave riesgo para la salud de los trabajadores. 1

Riesgos mineros

Además de la exposición por inhalación de partículas de polvo contaminadas, la extracción de materias primas para LIB plantea otros riesgos operativos. Los peligros comunes incluyen incendios y explosiones, trabajar desde posiciones elevadas y espacios confinados, exposiciones químicas y lesiones relacionadas con el ruido.

Industria 4.0: la era de la robótica

Los avances tecnológicos están provocando una transformación en la industria de extracción de minerales, marcando el comienzo de un paradigma denominado «Industria 4.0», que se caracteriza en términos generales por una integración más fluida de dispositivos y tecnología con sistemas físicos y mecánicos.

Estas preocupaciones de seguridad han empujado a la industria minera a reemplazar a los trabajadores con equipos robóticos autónomos y controlados a distancia. Un beneficio clave de estas tecnologías es la capacidad de expandir la exploración de minas inundadas y depósitos de aguas profundas.

El equipo robótico controlado a distancia puede ayudar a los trabajadores durante brotes virales a gran escala, como el COVID-19, y mitigar el impacto de futuras pandemias en la industria minera al limitar el contacto entre el personal durante las operaciones mineras.

Ahora hay más sistemas conectados digitalmente y la proliferación de sensores con el «Internet de las cosas» ha proporcionado una gran cantidad de datos. La IA y el aprendizaje automático han ayudado a pasar de la respuesta y las acciones correctivas a las medidas preventivas. Los operadores ahora pueden tomar decisiones mejor informadas para mejorar de manera segura la eficiencia de la producción. 2


Revoluciones Industriales.

¿Cómo afectan las baterías de iones de litio al medio ambiente?

Las innovaciones en baterías de litio continúan estableciendo el estándar de oro para sistemas de baterías más eficientes; sin embargo, la extracción de materia prima para LIBS a menudo tiene resultados perjudiciales para el medio ambiente.

Contaminacion de suelo

En el Salar de Hombre Muerto de Argentina, los residentes han culpado a las operaciones mineras de litio por la contaminación de los arroyos, lo que resulta en la contaminación del ganado y del suelo. Las montañas minadas en Chile demuestran el impacto irreversible que la minería de litio puede causar en los paisajes y ecosistemas naturales. 7

Contaminación del agua

Más de la mitad del suministro mundial de litio se encuentra en América del Sur, cubriendo partes de Bolivia, Chile y Argentina. En el Salar de Atacama de Chile, la minería resultó en el consumo de casi el 65% del agua de la región. El desplazamiento del acceso al agua ha afectado a los agricultores, obligándolos a buscar fuentes alternativas. 7

Además, los productos químicos de procesamiento, como el ácido clorhídrico, pueden filtrarse en el suministro de agua. Se han encontrado compuestos tóxicos que se filtran en el suministro de agua en Nevada, 150 millas río abajo de las operaciones de procesamiento de litio, dañando a los peces locales y sus hábitats. 3

Huella de Carbono

Las materias primas de LIB son las principales responsables de la energía y la huella de carbono en la producción de baterías de litio. Aproximadamente el 40 % del impacto climático total de las LIB se debe a la extracción, conversión y refinación de los materiales activos de la celda. 4

La producción de celdas es el segundo proceso que más energía consume con un 20% total de CO 2 /kWh. 4 Se están desarrollando varios procesos innovadores para mitigar el impacto ambiental de la producción de materia prima de LIB.

 5 estrategias para reducir el impacto ambiental de las LIB

  1.  La técnica de extracción Zero Carbon Lithium™

Creado por Vulcan Energy, utiliza energía geotérmica en lugar de combustibles fósiles para impulsar los procesos de extracción. Como parte de la agenda climática de la UE, Vulcan tiene como objetivo producir litio para 1 millón de baterías por año. Su producción está prevista para principios de 2024 y desarrollará significativamente la capacidad de la UE para producir sus propias baterías de automóviles nacionales.

  1. Extracción de salmuera del subsuelo

Las sales de litio, como el carbonato de litio o el monohidrato de hidróxido de litio, se producen actualmente con una pureza típica del 99,5 %. Sin embargo, existe una demanda creciente de litio con una pureza del 99,99 %.

Las sales de litio de mayor pureza garantizan el rendimiento de la batería, reduciendo las impurezas como el sodio, que pueden causar fallas y sobrecalentamiento de la batería. El uso de litio de alta pureza puede generar sistemas de baterías más eficientes, lo que lleva a una mayor longevidad de las baterías, menos desechos y mejores resultados ambientales.

  1. Determinación de Impurezas

Una tecnología fundamental para la determinación de impurezas en materias primas metálicas de alta pureza es ICP-OES. PerkinElmer Avio 550 ICP-OES posee la sensibilidad necesaria para realizar análisis de alta pureza, lo que lo convierte en una excelente opción para la extracción de litio de alta pureza.

Además, sus sistemas de introducción de muestras son resistentes a matrices con alto contenido de sal y muestras altamente corrosivas. La Tabla 1 muestra varios analitos identificados en materias primas de carbonato de litio de alta pureza utilizadas en la producción de LIB.


Tabla 1: Analitos en materias primas de alta pureza utilizadas en la producción de baterías de litio: carbonato de litio.

  1. Reciclaje

Habrá casi 11 millones de toneladas de LIB usadas anteriormente para 2030. 6 El reciclaje de LIB será fundamental para garantizar un suministro adecuado de materias primas y mitigar el daño al medio ambiente.

  1. reutilización

La reutilización de baterías usadas es otra estrategia para reducir los desechos tóxicos y la carga de contaminación asociada con esta expansión LIB proyectada. Después de que la capacidad de la batería de un vehículo eléctrico cae por debajo del 70-80%, pierden la capacidad de alimentar el automóvil. 8 Sin embargo, retienen suficiente capacidad para otras funciones que requieren almacenamiento estacionario, como aplicaciones de energía doméstica e industrial.

Según su eficiencia y confiabilidad, parece que las LIB llegaron para quedarse. En respuesta a los obstáculos ambientales y de seguridad, la industria LIB ha impulsado una mayor seguridad en la adquisición y el procesamiento de materias primas, lo que lleva a la utilización de soluciones de seguridad de la Industria 4.0, como operaciones remotas, robótica y automatización.

Para abordar el impacto ambiental del desarrollo de LIB , los profesionales de la industria deben continuar innovando con métodos de extracción de energía verde. Quizás, algunas de las acciones más impactantes que la industria de la energía puede implementar es la reutilización y el reciclaje de LIB, que tiene el potencial de mejorar drásticamente la sostenibilidad de LIB.

Los innovadores continúan trabajando para superar los principales obstáculos ambientales y de seguridad para que las baterías de iones de litio puedan seguir desempeñando un papel clave en la revolución de la energía alternativa.

Referencias:

  1. Minerales Industriales. (Dakota del Norte). Recuperado el 13 de mayo de 2022 del sitio web www.indmin.com: https://www.indmin.com/Article/3298690/Graphite-pollution-fears-spread-to-Heilongjiang-China.html
  2. Tendencias y desafíos de la minería moderna. (Dakota del Norte). 14 de julio de 2021. PerkinElmer. https://f.hubspotusercontent40. net/hubfs/547446/LabManager/Downloads/PerkinElmer/203724%20WTP%20Mining%20TrendsFINAL%20(002).pdf
  3. Instituto de Investigaciones Energéticas. (2020, 12 de noviembre). El impacto ambiental de las baterías de litio. Obtenido del sitio web de IER: https://www.instituteforenergyresearch.org/renewable/the-environmental-impact-of-lithium-batteries/
  4. ¿Cuál es el impacto ambiental de las baterías de litio? (Dakota del Norte). Changeit.aplicación. https://changeit.app/blog/2021-03-26-impacto-ambiental-de-las-baterías-de-litio/
  5. Los desafíos de la minería y la refinación para producir litio de alta pureza. Hanton, D.Scott. Gerente de laboratorio. 19 de julio de 2021. https://www.labmanager.com/big-picture/lithium-ionbattery-production/the-mining-and-refining-challenges-toproduce-high-purity-lithium-26230
  6. Recuperación asistida por sales fundidas a baja temperatura de metales valiosos de baterías de iones de litio gastadas. ACS Química Sostenible. Ing. 2019, 7, 19, 16144– 16150. 26 de agosto de 2019. https://doi.org/10.1021/ acssuschemeng.9b03054
  7. Las necesidades analíticas para el reciclaje de baterías de iones de litio. Nowak, Sascha. Gerente de laboratorio. 19 de julio de 2021. https://www.labmanager.com/big-picture/lithium-ion-batteryproduction/the-analytical-needs-for-recycling-lithium-ionbatteries-26231
  8. Viabilidad de utilizar baterías EV de segunda vida: aplicaciones, vida útil, economía, impacto ambiental, evaluación y desafíos. (2021). Revista de ingeniería de Alexandria, 60(5), 4517–4536. https://doi.org/10.1016/j. aej.2021.03.02

 

 

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