El litio es clave para la tecnología actual y de la próxima generación de baterías

La tecnología de las baterías es esencial a medida que aumenta la demanda de productos electrónicos para consumidores, almacenamiento de energía y especialmente vehículos eléctricos (VE). Las composiciones químicas de las baterías de los vehículos eléctricos varían mucho, y los fabricantes de baterías siguen experimentando con diferentes combinaciones para optimizar el rendimiento. Sin embargo, existe un hilo común entre los diseños de baterías de vehículos eléctricos comercialmente viables: el litio. Más allá de los ejemplos de uso actuales, es probable que la importancia del litio en las cadenas de suministro de baterías permanezca intacta para las tecnologías de próxima generación. Esperamos que el crecimiento de estas tecnologías, especialmente en el segmento de la movilidad, siga creando oportunidades atractivas para las empresas en el sector tecnológico del litio y las baterías.

Este artículo forma parte de una serie que profundiza en la iteración de este año de nuestro artículo de investigación insignia, Charting Disruption.

Conclusiones clave

• El litio es un ingrediente casi omnipresente en los cátodos de baterías de iones de litio actuales.
• Es probable que la tecnología de estado sólido, que podría representar la próxima gran innovación en baterías, incorpore litio tanto en el cátodo como en el ánodo.
• Existe un mercado para los sustitutos de iones de litio, aunque creemos que es poco probable que estas tecnologías interrumpan significativamente la demanda de litio.

Los cátodos están impulsando la demanda de litio en las baterías actuales

Casi todos los vehículos eléctricos puros e híbridos enchufables del mercado actual requieren una batería de iones de litio de algún tipo. En comparación con otros tipos de baterías recargables, por ejemplo, baterías de níquel-hidruro metálico y baterías de plomo-ácido, las baterías de iones de litio ofrecen una mayor densidad de energía, una menor autodescarga y una vida útil más larga.¹ El litio también es ideal químicamente porque el metal desprende fácilmente electrones en las condiciones adecuadas. Esta propiedad es necesaria para las reacciones de intercalación que administran las cargas dentro de una batería. En conjunto, las baterías de iones de litio pueden almacenar una cantidad considerable de energía en un paquete ligero, al tiempo que ofrecen propiedades de recarga comercialmente viables para vehículos eléctricos.

Los principales componentes de las baterías de iones de litio son un cátodo, un ánodo, un electrolito líquido y un separador. En la mayoría de los diseños actuales, el cátodo alberga litio durante el estado inactivo de la batería. Debido a que los cátodos determinan el rango y representan la mayor parte del costo total de la celda, las baterías de los vehículos eléctricos a menudo se clasifican en función del contenido del cátodo.² Actualmente, dos de los principales arquetipos de cátodo son los fosfatos de níquel y de hierro-litio (lithium iron phosphates, LFP). Los cátodos a base de níquel soportan densidades de energía más altas, lo que se traduce en velocidades y rangos más altos para los vehículos eléctricos.

De hecho, las mejoras en el rango que ayudaron a impulsar la popularidad de los vehículos eléctricos en los últimos años son atribuibles en gran medida a la innovación en baterías basadas en níquel. Sin embargo, la tecnología LFP heredada está recuperando la cuota de mercado debido a la proliferación de la infraestructura de carga. Una carga cómoda puede causar un alcance menor asociado con los LFP para convertirse en una compensación favorable a fin de reducir los costos de forma comparable y una mayor longevidad.

Hoy en día, las tres composiciones químicas de batería más comunes en los vehículos eléctricos son LFP, NMC811 y NMC622.³ En conjunto, estas tres composiciones químicas representan aproximadamente el 75 % de los cátodos colocados en los vehículos eléctricos en todas las clases a nivel mundial.⁴ Es importante tener en cuenta que todas las composiciones de cátodos mencionadas en esta sección y capturadas en el siguiente gráfico requieren litio.

Es probable que la tecnología de baterías de estado sólido mantenga la demanda de litio

Varios fabricantes de automóviles y startups compiten para desarrollar tecnología de baterías de estado sólido, a menudo anunciada como la próxima generación de tecnología de baterías para vehículos eléctricos. Las baterías de estado sólido remplazan los electrolitos líquidos y los separadores de gel de polímero utilizados en las baterías de iones de litio actuales con un separador sólido. Los posibles beneficios de los diseños de estado sólido completamente realizados incluyen capacidades de carga rápida, mayor alcance, mayor vida útil y mayor seguridad.⁵ Muchos planos de baterías de estado sólido amplían el uso de litio en toda la celda.

Generalmente, los diseños de estado sólido aprovechan los cátodos de iones de litio tradicionales, aunque los diseños de líderes en el campo de estado sólido como QuantumScape y Solid Power podrían cambiar radicalmente la composición de los ánodos de batería. Los diseños de estado sólido que estas empresas están desarrollando reemplazarían el ánodo convencional con una fina lámina de metal de litio. En la actualidad, menos del 1 % de las baterías de iones de litio contienen litio en sus ánodos.⁶ En vez de ello, la gran mayoría de estos ánodos están fabricados con grafito natural o sintético. La adopción de ánodos de metal de litio podría aumentar la densidad de energía a la vez que reduce el tamaño y el costo general del paquete. Los fabricantes de automóviles ya están probando baterías de estado sólido, que podrían llegar al mercado de los vehículos eléctricos en 2025.⁷

Las alternativas al litio desempeñan un papel complementario, pero es poco probable que disminuyan la demanda de litio

Ciertos sustitutos directos del litio podrían desempeñar un papel complementario en la electrificación de la red y el segmento de movilidad. El ion de sodio es un ejemplo de una tecnología de batería comparable que no incluye litio. La empresa china de tecnología de baterías HiNa Battery opera la única instalación de iones de sodio a escala comercial, que abrió en noviembre de 2022.⁸ Las baterías HiNa tienen una densidad de energía de 145Wh/kg, considerablemente menos del 200 a 275 Wh/kg que ofrece la mayoría de las baterías basadas en níquel en los vehículos eléctricos actuales.^{9, 10} Incluso después de más desarrollo, es probable que los iones de sodio ofrezcan menos densidad de energía gravimétrica que las baterías de iones de litio de última generación, por no mencionar cátodos futuros o células de estado sólido.¹¹ Como tal, esperamos que las baterías de iones de sodio sean más prácticas para el almacenamiento de energía o equipos electrónicos más pequeños que para su uso en vehículos eléctricos.

Las celdas de combustible de hidrógeno son otra tecnología que podría desempeñar un papel importante en los esfuerzos de descarbonización. Estas celdas de combustible alojan una reacción electroquímica que mezcla hidrógeno con oxígeno para producir electricidad, con solo calor y vapor de agua como productos secundarios. El hidrógeno ya alimenta algunos vehículos eléctricos de celdas de combustible (fuel cell electric vehicles, FCEV) para trabajos livianos; sin embargo, esperamos que la mayor oportunidad para las celdas de combustible está en los sectores de transporte pesado y energía estacionaria. A medida que aumenta el tamaño de las aplicaciones, también podría aumentar la ventaja comparativa de utilizar un combustible ligero como el hidrógeno. Creemos que las baterías seguirán siendo la tecnología de referencia para electrificar vehículos ligeros debido a la eficiencia, el impulso de la industria y la infraestructura existente o planificada. Como referencia, la Agencia Internacional de la Energía estima que se implementarán 6 millones de FCEV para 2030, en comparación con las existencias globales de vehículos eléctricos de aproximadamente 350 millones en ese momento.^{12, 13}

Conclusión: se espera que el litio siga siendo el estándar en tecnología de baterías

Ya sea debido al LFP actual y a los cátodos basados en níquel, o a la tecnología de estado sólido de última generación, es poco probable que veamos un sustituto del litio en el futuro. Aunque las alternativas como el ion de sodio o el hidrógeno podrían ayudar en los esfuerzos de descarbonización, no esperamos que estas tecnologías sustituyan al ion de litio de forma significativa, especialmente en el segmento de los vehículos eléctricos.