El oro blanco que puede salvar al mundo

Pablo Homes

Ingeniero de proyectos | Phineal

4 DE DICIEMBRE, 2017

En la última década hemos sido testigos del fuerte incremento de la electromovilidad en el mundo, con la empresa Tesla Motors a la cabeza, seguido por gran número de fabricantes de automóviles que han impulsado el cambio de paradigma hacia un transporte mucho más limpio y respetuoso con el medio ambiente, desplazando poco a poco los motores de combustión interna. Este fuerte crecimiento en la industria de la electromovilidad tiene un principal responsable, el litio. Si bien los vehículos eléctricos tienen más de 100 años de desarrollo, la batería ha sido siempre su principal limitante por no cumplir con los requerimientos de desempeño y autonomía para un medio de transporte, hasta ahora.

Vista aérea del Salar de Atacama, Chile

Importancia de las baterías de litio en electromovilidad

El desarrollo de las baterías de litio ha hecho posible que la electromovilidad se vuelva una solución práctica y económicamente viable, mejorando considerablemente los rangos de autonomía para un vehículo eléctrico, muy superior a las tecnologías que le precedían de níquel – hidruro metálico.
El litio, en su forma pura, es un metal blando, de color blanco plata, que se oxida rápidamente en contacto con el aire o con el agua. Este elemento se encuentra en la naturaleza, principalmente en salares; asociado, comúnmente a otros metales o rocas debido a que es altamente reactivo. El litio se caracteriza por ser un metal conductor extremadamente liviano. Ocupa el lugar número 3 en la tabla periódica de los elementos, tiene una masa atómica de 6,94 [g/mol] y una densidad de 534 [kg/m3], lo que lo hace el metal más liviano de todos. Esta propiedad hace que las baterías de litio logren almacenar grandes cantidades de energía por unidad de masa.

Composición de una batería de litio

Para comprender el aporte del litio en una batería hay que analizar su composición física y su principio de funcionamiento. La batería se compone de dos electrodos, ánodo (-) y cátodo (+) que están inmersos en un electrolito donde se genera un intercambio de iones entre los electrodos al interior de la batería y un flujo de electrones entre sus terminales y la carga conectada, generando así una corriente eléctrica (reacción electroquímica de oxidación y reducción).

El litio está presente tanto en el electrolito como en el cátodo, en aleación con otros metales que define el desempeño de la batería. El alto grado de conductividad del litio y gran diferencia de potencial que logra entre sus terminales (3,6V nominal) hace que tenga un excelente desempeño en comparación con las demás baterías existentes. Además tiene una alta capacidad de acumular carga eléctrica, lo que lo hace alcanzar los mayores niveles de densidad energética para una batería, superior a los 240 [kWh/kg] en el caso de las baterías para vehículos eléctricos.

Más información en http://www.jmbatterysystems.com/JMBS/media/JMBS/Documents/JMBS-23946-Battery-Guide-Update-August-2015-Web.pdf

Reservas de litio en Chile

El litio es un mineral muy abundante en el planeta. Los recursos de litio se estiman en más de 40 millones de toneladas a nivel mundial, según datos de la U.S. Geological Survey 2016.

Según el Ministerio de Energía, el mercado mundial del Litio al año 2017 se estima en 230 mil toneladas de LCE (carbonato de litio equivalente), y la producción estimada en Chile es de 100 mil toneladas de LCE, correspondiente al 43%.

Actualmente hay dos compañías que extraen Litio en Chile: Soquimich (SQM) y la empresa estadounidense Albemarle (ex Rockwood Lithium). Cabe destacar que es la Corporación de Fomento (Corfo) la dueña de las concesiones mineras a través de las cuales se explota el Litio. Desde el año 1979 opera una ley que determina al Litio como un recurso estratégico para el país y que no puede ser sujeto a concesión. Es por esto que el Estado de Chile es el único capaz de explotarlo ya sea directamente a través de una empresa estatal, por medio de concesiones administrativas o contratos especiales de operación.

El proceso productivo del litio comienza con el tratamiento de la salmuera natural que se obtiene por bombeo desde el núcleo del salar y se dispone en pozas al aire libre, esta salmuera contiene cerca de un 0,2% de concentración de litio. Al disponerlas en pozas al aire libre, son sometidas a la evaporación solar hasta que alcanzan una concentración de litio del 6%. Durante el proceso de evaporación de la salmuera, se produce la precipitación de distintos tipos de sales que son considerados sub productos del proceso. Estas son el cloruro de potasio y el cloruro de magnesio. Luego, la salmuera concentrada es transportada en camiones hasta una planta química, en donde se realiza primero un proceso de purificación y posteriormente un proceso de conversión química para producir carbonato y cloruro de litio.

Fuente: http://www.albemarlelitio.cl/produccion-en-chile/proceso-productivo/

Chile produce principalmente carbonato de litio, y en menor proporción produce hidróxido de litio y cloruro de litio. Cerca del 90% de la oferta de Chile sería carbonato de litio e hidróxido de litio.

DEMANDA DE LITIO POR COMPUESTO QUÍMICO

Fuente: Estimaciones SignumBox

  • Carbonato de litio 40%
  • Hidróxido de litio 24%
  • Concentrado de litio 16%
  • Cloruro de litio 6%
  • Litio metálico 5%
  • Butil litio 4%
  • Otros compuestos de litio 5%

Según la demanda del litio por compuesto químico, el más demandado corresponde al carbonato de litio, seguido por el hidróxido de litio. Esta fuerte demanda por estos 2 compuestos se debe principalmente al aumento de la demanda por baterías de litio, ya que ambos compuestos son utilizados en la fabricación de baterías. Actualmente el mercado del litio está dominado por las baterías, que representa el 35% del mercado al año 2016, y se proyecta un fuerte aumento en su participación, superando el 73% al año 2026.

Si bien la batería de ion litio ha sido una gran revolución para la electromovilidad, aún tiene muchos aspectos a mejorar para acercarse a la batería ideal que demanda una industria de vehículos eléctricos. Alto costo, inestabilidad térmica, densidad de energía limitada, autodescarga, son sólo algunos de los problemas que persisten en las baterías de ion litio. El consorcio de baterías avanzadas de Estados Unidos (USABC) propone objetivos específicos en el desempeño de las baterías para el año 2020. Los objetivos a alcanzar son: vida útil de 1000 ciclos de carga – descarga, escape térmico de 220°C, costo menor a 100 $USD/kWh, autodescarga menor a 0,03 %/día, energía específica de 350 Wh/kg, densidad específica de 750 Wh/lt y una potencia específica de 750 W/kg. Las baterías actuales de ion litio sólo han podido lograr los objetivos de vida útil y potencia específica. Los objetivos de costo y autodescarga han sido los más desafiantes.

Fuente: TESLA MODEL X en el showroom TESLA MOTORS en Munich, Alemania. Phineal©2017

¿Es la batería de litio la solución definitiva para la electromovilidad?

Si bien la batería de ion litio ha sido una gran revolución para la electromovilidad, aún tiene muchos aspectos a mejorar para acercarse a la batería ideal que demanda una industria de vehículos eléctricos. Alto costo, inestabilidad térmica, densidad de energía limitada, autodescarga, son sólo algunos de los problemas que persisten en las baterías de ion litio. El consorcio de baterías avanzadas de Estados Unidos (USABC) propone objetivos específicos en el desempeño de las baterías para el año 2020. Los objetivos a alcanzar son: vida útil de 1000 ciclos de carga – descarga, escape térmico de 220°C, costo menor a 100 $USD/kWh, autodescarga menor a 0,03 %/día, energía específica de 350 Wh/kg, densidad específica de 750 Wh/lt y una potencia específica de 750 W/kg. Las baterías actuales de ion litio sólo han podido lograr los objetivos de vida útil y potencia específica. Los objetivos de costo y autodescarga han sido los más desafiantes.

karhu® system, batería de litio desarrollada por Phineal.

¿Por qué medir el desempeño de una batería?

Se sabe que con el pasar del tiempo la batería no se comporta de igual forma que cuando estaba nueva. Los materiales intrínsecos en una batería tienden a sufrir daños según la intensidad de corriente a la que es sometida, y con el pasar del tiempo se vuelve más difícil saber a ciencia cierta la real capacidad efectiva que dispone la batería. A medida que se desgasta la batería va aumentando su resistencia interna y va disminuyendo su capacidad efectiva, por lo que si no se realiza una evaluación periódica del estado de la batería, entonces no se podrá tener una estimación precisa de su estado de carga.

Medición de un conjunto de pilas en serie con un sistema de balance utilizando el BMS desarrollado para el karhu system y tester.

En este ámbito, la empresa Phineal está desarrollando el dispositivo “karhu tester” de Solar Robotics®, el cual puede realizar un análisis a las baterías de litio para conocer su capacidad efectiva y su resistencia interna. Con este análisis se puede estimar la vida útil de la batería y la energía disponible antes de llegar al fin de su ciclo de utilización. Esta información resulta muy valiosa cuando se utilizan grandes arreglos de baterías, como por ejemplo en autos eléctricos o en baterías estacionarias, en donde se desea que las baterías conectadas en paralelo tengan una capacidad y resistencia interna lo más parecida posible, para poder aprovechar al máximo la energía contenida en cada batería. En caso contrario, se estaría desperdiciando energía ya que un arreglo de baterías en paralelo se nivela a la batería con peor desempeño.

Phineal está haciendo importantes avances en el control de las baterías de litio y fomenta el uso de este recurso natural presente en abundancia en nuestro país, para darle un mayor valor agregado al recurso y lograr potenciar el desarrollo industrial que nos pueda llevar a ser agentes de cambio en la nueva revolución energética.

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