Una introducción a las baterías, desde las tecnologías de iones de litio (Li-ion) y de sodio (Na-ion) hasta materias primas para baterías que incluyen litio, níquel, cobalto y manganeso.
Las baterías son fundamentales para la transición energética. Alimentan nuevos vehículos eléctricos (EV) y brindan apoyo energético a las redes con una proporción cada vez mayor de suministro intermitente de energías renovables como la eólica y la fotovoltaica.
Entonces, ¿de qué están hechas las baterías? ¿Hay diferentes tipos? ¿Cuáles son los beneficios y desafíos del mayor uso de la batería?
Continúe leyendo para obtener una descripción general, basándose en la información de nuestro Servicio de cadena de suministro de baterías y vehículos eléctricos.
¿Qué es una batería?
Las baterías son una forma de almacenamiento de energía electroquímica. Almacenan energía mediante una combinación de reacciones químicas entre los materiales contenidos en la batería. Las baterías, inventadas por primera vez hace más de 200 años, se han fabricado desde entonces con muchos materiales diferentes, con diferentes métricas de rendimiento.
Sin embargo, todas las baterías tienen cuatro componentes comunes: cátodo, ánodo, electrolito y separador.
¿Cómo funcionan las baterías?
En términos simples, las reacciones químicas en el ánodo liberan electrones e iones que fluyen hacia el cátodo. Los electrones fluyen por el circuito externo (proporcionando energía útil), mientras que los iones fluyen por el electrolito. En el cátodo, una reacción química separada consume los electrones y los iones creados en el ánodo.
El separador es un material aislante que evita que el ánodo y el cátodo (los electrodos) se toquen. Esto evita cortocircuitos internos que impedirían que la batería alimente los dispositivos.
Las baterías vienen en dos formas: primarias y secundarias.
En las baterías primarias, las reacciones en el ánodo y el cátodo no se pueden invertir, por lo que la batería no es recargable. Estos incluyen células alcalinas.
En las baterías secundarias, las reacciones de los electrodos son reversibles. Esto significa que los electrones se crean en el cátodo y fluyen hacia el ánodo durante la carga. Los ejemplos de baterías secundarias incluyen baterías de plomo-ácido y de iones de litio (Li-ion).
¿De qué están hechas las baterías?
Cada batería se define por el material del que están hechos los electrodos. Las baterías de iones de litio, comercializadas en la década de 1990, se convirtieron rápidamente en la tecnología elegida tanto para los vehículos eléctricos como para los sistemas de almacenamiento de energía (ESS), cada uno con diferentes variantes químicas. Los materiales de los electrodos de las baterías de iones de litio reaccionan para proporcionar o almacenar energía mediante la inserción o intercalación de iones de litio (átomos de litio a los que se les ha eliminado un solo electrón). Dado que el litio es altamente electropositivo (cede fácilmente su electrón) y tiene un tamaño de ion pequeño, la intercalación es altamente reversible y las baterías tienen una alta densidad de energía. Esto da como resultado baterías de alta capacidad y potencia que se pueden cargar y descargar muchas veces: un ciclo de vida prolongado.
Los materiales del ánodo y del cátodo son diferentes entre sí ya que el voltaje de la batería está determinado por las diferentes reacciones de los electrodos. Cuanta más energía se genere en el cátodo y menos en el ánodo, mayor será el voltaje de la batería. Los ánodos suelen estar hechos de grafito, mientras que los cátodos son compuestos de óxido metálico a base de níquel o de hierro.
Los cátodos a base de níquel también contienen otros metales, como cobalto, manganeso y aluminio. Los cátodos a base de hierro también pueden contener algo de manganeso.
Los principales materiales del cátodo son:
De base níquel: LiNixMnyCozO2 (NMC) y LiNixCoyAlzO2 (NCA)
A base de hierro: LiFePO4 (LFP) y LiMnxFeyPO4 (LMFP)
Los cátodos a base de níquel tienden a almacenar más litio por gramo y litro de material y a un voltaje más alto. Esto da como resultado una mayor energía específica (Wh/kg) y densidad de energía (Wh/L). Los cátodos a base de hierro tienden a ser más baratos y tener un ciclo de vida más largo.
Por estas razones, se han preferido productos químicos a base de níquel para aplicaciones de vehículos eléctricos con volumen limitado, mientras que para aplicaciones de ESS se han utilizado productos químicos a base de hierro, que se benefician de una larga vida útil.
¿Son las baterías de iones de litio la única opción? ¿Qué pasa con las de iones de sodio?
Las baterías de iones de sodio (Na-ion) han despertado mucho interés en los últimos años. Un aumento en los precios de las materias primas de las baterías de iones de litio, que coincidió con el desarrollo tecnológico de los materiales de las baterías de iones de Na, significó que las baterías de iones de Na podrían reemplazar a las baterías de iones de litio en algunas aplicaciones.
Al igual que las baterías de iones de litio, las baterías de iones de Na vienen en muchas variantes químicas. Sin embargo, estos tienden a utilizar menos minerales críticos, o incluso ninguno. Las baterías de iones de Na utilizan carbono duro en lugar de grafito como material del ánodo, y algunas variantes no contienen litio, níquel, cobalto o manganeso en el cátodo.
Cambiar al sodio tiene sus desventajas. Debido a que los iones de sodio son más grandes y pesados ??que los iones de litio, se necesitan más materiales de ánodo y cátodo para almacenar la misma cantidad de energía. Por tanto, las baterías de iones de Na son más pesadas y más grandes que las de iones de Li.
Por estas razones, esperamos que las baterías de iones de Na se utilicen en aplicaciones que tienen menos restricciones de volumen o peso, como los ESS, o en aplicaciones que no requieren tanto almacenamiento de energía, como los vehículos eléctricos de dos o tres ruedas. vehículos.
¿Cuáles son los desafíos asociados con el mayor uso de la batería?
La rápida adopción de vehículos eléctricos y ESS como parte de la transición energética no está exenta de desafíos. El litio, el cobalto, el níquel y el manganeso son minerales críticos, que tienen cadenas de suministro concentradas y se utilizan en aplicaciones estratégicas.
Además, el uso de materias primas para baterías ha sido objeto de escrutinio por consideraciones de precio, métricas ESG y huella de carbono, las cuales difieren según la región y el productor. Esto crea incertidumbre en las perspectivas de la batería.
De hecho, es una tarea relativamente difícil para las nuevas empresas producir materiales de alta calidad, dada la necesidad de crear partículas de electrodos de determinadas formas, tamaños y composiciones con bajas impurezas. Además, el aumento de la producción de baterías (un método de fabricación complejo) para satisfacer las demandas de la transición energética ha creado una industria altamente competitiva. El sector ve frecuentes mejoras tecnológicas a medida que las empresas buscan mantener las ventajas, al tiempo que se integran en sentido ascendente para reducir la vulnerabilidad a los costos volátiles de las materias primas.
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