Para las empresas estadounidenses, la carrera por la nueva batería EV está en marcha

Estimulados por mandatos e incentivos federales, los fabricantes estadounidenses están avanzando en el desarrollo de nuevas tecnologías de baterías para vehículos eléctricos. El santo grial es una batería que es más segura, cuesta menos, proporciona un mayor rango de conducción y no utiliza minerales “en conflicto” importados.

Han pasado dieciséis años desde que el ingeniero Martin Eberhard presentó su auto deportivo futurista diseñado a medida ante una multitud de inversionistas, periodistas y compradores potenciales en un hangar del aeropuerto de Santa Mónica. El Roadster, como se le llamaba, contenía mucha ingeniería innovadora, pero nada importaba más que las 6831 celdas de la batería de iones de litio empaquetadas en su compartimiento trasero, que le daban al vehículo su alcance y velocidad. “El sistema de batería es el secreto”, explicó Eberhard en ese momento, “detrás de nuestra aceleración de cuatro segundos de 0 a 60 mph”.

Eberhard y su colaborador, Marc Tarpenning, nombraron a su nueva compañía de vehículos eléctricos en honor a Nikola Tesla, y dos años más tarde, en 2008, Tesla se convirtió en el primer vehículo de iones de litio producido comercialmente en llegar al mercado automotriz. Las baterías de iones de litio, o li-ion, fueron un gran avance respecto de las baterías de hidruro metálico de níquel (Ni-MH) que habían estado alimentando la mayoría de los vehículos híbridos y eléctricos, incluido el popular Prius. La mejor densidad de energía del litio significa que una batería de iones de litio puede almacenar un tercio más de vatios-hora por kilogramo que las baterías de Ni-MH, lo que significa que duran más y pesan menos.

Pero la batería de litio todavía tiene serios inconvenientes. Se basa en minerales críticos importados, no solo litio, sino también cobalto, cobre, grafito y níquel, que se adquieren pirateando montañas o bombeando agua subterránea escasa del desierto en estanques, luego esperando que el agua se evapore y deje el mineral atrás. La República Democrática del Congo produce más del 70 por ciento del cobalto del mundo, a menudo mediante la explotación del trabajo infantilen condiciones laborales inseguras. Otros minerales provienen de países con los que EE.UU. preferiría aflojar los lazos económicos, incluida Rusia, que proporciona el 20 por ciento de las menguantes reservas mundiales de níquel, y China, que suministra prácticamente todo el grafito utilizado en las baterías de vehículos eléctricos a nivel internacional.

Para 2029, solo los vehículos eléctricos con el 80 por ciento de sus minerales obtenidos en los EE.UU. o sus países aliados calificarán para el crédito fiscal completo.

“No necesariamente tenemos la capacidad de obtener algunos minerales a menos que vayamos a lugares que se definen como inaceptables”, dice Ben Prochazka, director ejecutivo de Electrification Coalition, una organización sin fines de lucro que trabaja para alejar el transporte de los combustibles fósiles. Pronto, es posible que no podamos obtener ciertos minerales en absoluto: China, por ejemplo, ha amenazado con mantener su grafito para su propia industria prodigiosa de baterías; Los analistas de mercado predicen que la demanda mundial de litio superará la oferta para 2030. “Tenemos que encontrar una forma diferente de fabricar baterías”, dice Prochazka.

Con los mandatos e incentivos estatales y federales que empujan a las compañías automotrices a priorizar los vehículos que funcionan con baterías en sus flotas, y los precios volátiles de la gasolina llevan a más consumidores hacia el transporte de cero emisiones, los fabricantes de automóviles y las compañías de baterías se apresuran a hacer precisamente eso. Están trabajando para desarrollar diferentes formas de fabricar baterías mientras reducen los costos, aumentan la densidad de energía, lo que se traduce en un rango de conducción más importante y más largo, y alejan a la industria de lo que el gobierno de los EE.UU. Llama “entidades extranjeras de interés”.

Las baterías que reemplazan los llamados minerales de conflicto con minerales domésticos han avanzado más allá de la investigación y el desarrollo hasta sus fases de prueba; una batería que reduce el cobalto a favor del níquel, manganeso y aluminio ya está en producción comercial; varias empresas están trabajando en baterías de estado sólido, que no utilizan líquidos potencialmente inflamables, y abundan los planes para gigafactorías dedicadas a la fabricación de baterías en los EE.UU.

Se espera que la aprobación de las nuevas leyes federales, la Ley de Reducción de la Inflación (IRA) de 2022 y la Ley de Inversión en Infraestructura y Empleos de 2021, impulsen la industria. EE.UU. ha ofrecido un crédito fiscal de $7500 Dlls. a los compradores de la mayoría de los vehículos eléctricos nuevos desde finales de 2009; pero a partir de 2023, la IRA vincula ese crédito fiscal a ciertos requisitos para el abastecimiento de minerales críticos y la fabricación de baterías. Para 2029, solo los vehículos eléctricos con el 80 % de sus minerales provenientes de los EE.UU. o sus países aliados y el 100 % de los componentes fabricados o ensamblados en América del Norte calificarán parael crédito completo.

En conjunto, los proyectos de ley pueden transformar la industria de las baterías de vehículos eléctricos y forzar la innovación, tal como lo hizo la Ley de Recuperación y Reinversión de los EE.UU. en la década de 2010, cuando Tesla obtuvo un préstamo federal de $465 millones para completar el desarrollo de su sedán Modern S y abrir su planta. en Fremont, California. Si el cobalto y el níquel son difíciles de conseguir, dice Prochazka, entonces “hagamos baterías que usen menos cobalto o nada de cobalto. O hagamos baterías que usen menos níquel”. China refina casi todos los minerales utilizados por los fabricantes de baterías, agrega Prochazka, “así que ahora tendremos instalaciones de procesamiento en EE.UU.”. El mes pasado, Panasonic Energy, con sede en Nevada, anunció que en 2025 comenzaría a fabricar baterías para vehículos eléctricos con níquel reciclado ese estado

Michael Maten, estratega senior de GM para vehículos eléctricos y política energética, dice que el cambio se produciría independientemente de que el Congreso actuara o no. En 2021, cuando la directora ejecutiva de GM, Mary Barra, se comprometió a ser 100% eléctrica para 2035, Maten dice: “Lo primero que dijimos fue: ‘Vamos, vamos a necesitar muchas baterías'”. analizar detenidamente la cadena de suministro y hacer “un esfuerzo concertado para llevar a cabo en tierra o cerca de esa cadena de suministro para asegurarse de que sea sostenible”. Ahora, dice, “casi todos los meses contratamos a otro socio para asegurar” minerales críticos.

“Puede pensar en nuestra celda de batería como un baño francés”, dice un desarrollador de baterías. “El electrolito impregna todo”.

El fracaso no es una opción, dice Maten. “Estamos transformando un negocio de 100 años basado en el motor de combustión interna en un negocio de vehículos eléctricos. Queremos asegurarnos de que estemos aquí por otros 100 años”.

Lyten, una empresa con sede en San José que se especializa en fabricar compuestos para baterías, uno de sus ingenieros Liddle sostiene una hoja de papel con el borde hacia afuera. “Eso es grafeno bidimensional”, dice, que es estructuralmente similar a una red de fútbol colocada plana, “solo que en forma nano”. luego arruga el papel en una bola. “Si haces esto, terminas con grafeno 3D, que es 1000 veces más reactivo, eléctrica y químicamente” que la versión plana.

Lyten comenzó como un esfuerzo comercial para recolectar metano residual de los campos petroleros, convertirlo en carbono inerte y secuestrarlo en las profundidades del subsuelo. “Resultó que la economía no funcionó en absoluto para eso”. Liddle. La compañía se centró en las baterías cuando uno de sus investigadores descubrió que el grafeno derivado de ese carbono podría usarse como un amortiguador entre el litio y el azufre dentro de un nuevo tipo de batería.

“El azufre tiene aproximadamente cuatro veces el almacenamiento potencial de energía del níquel, el manganeso o el cobalto”, dice Liddle, “y es literalmente muy barato: es un subproducto de las operaciones petroquímicas”. Los perforadores de petróleo lo regalan por toneladas. Que nadie haya fabricado nunca una batería de litio-azufre con una aplicación comercial (aunque algunos lo han intentado) habla de lo difícil que es hacerlo. A medida que las celdas dentro de la batería se cargan y luego se descargan, el litio se une al azufre y se libera en forma de iones de litio. Con cada ciclo, el compuesto pasa por una serie de conversiones químicas complejas hasta que ni el litio ni el azufre permanecen en forma utilizable. “La batería realiza ciclos unas 100 veces y luego muere”, explica Liddle, “porque básicamente se envenenó a sí misma”.

Ahora Liddle hace la mímica de insertar una sustancia (azufre) en los espacios del papel enrollado, el sustituto del grafeno. “Resulta que, si tomas el azufre y lo incrustas profundamente en las nanogrietas del grafeno, fuerza la conversión de litio-azufre en litio y azufre”, dice. El grafeno divide los dos químicos, por lo que los átomos de azufre y los iones de litio no destruyen la batería.

Se puede pensar en una celda de batería como un sándwich: un cátodo cargado positivamente y un ánodo cargado negativamente alrededor de un electrolito que pasa iones de un lado al otro. El electrolito es casi siempre un solvente orgánico viscoso. Las celdas de la batería de Lyten tienen todos esos componentes, pero están estructuradas de forma un poco diferente. “Puede pensar en nuestra celda de batería como un baño francés”, dice Liddle. “El electrolito impregna todo”.

Ford y Mercedes-Benz se han asociado con fabricantes de baterías para explorar la tecnología de estado sólido.

Las baterías de estado sólido, por el contrario, no usan electrolitos en absoluto, cambiándolo por un polímero o cerámica que cumple la misma función, pero sin el riesgo de inflamabilidad de los solventes orgánicos. Los automóviles que funcionan con gasolina se incendian más fácilmente y con mayor frecuencia que los vehículos eléctricos equipados con baterías de iones de litio. Pero las baterías de iones de litio son especialmente vulnerables a un fenómeno conocido como “fuga térmica”, en el que la celda en llamas no puede expulsar el calor más rápido de lo que lo genera. Como aprendieron los bomberos de Florida después de que los Tesla empapados en agua salada se incendiaran después de la marejada ciclónica del huracán Ian, se necesita una gran cantidad de agua para apagar un incendio químico, hasta 40 veces más de lo que se necesita para extinguir el incendio de un automóvil de gasolina.

Un puñado de fabricantes de automóviles, incluidos Ford y Mercedes-Benz, tienen asociaciones con fabricantes de baterías para explorar la tecnología de estado sólido. Factorial Energy, que está a punto de abrir una nueva fábrica en Methuen, Massachusetts, espera lanzar baterías EV de estado sólido en algún momento entre 2028 y 2030.

La mayoría de las baterías usan electrolitos líquidos por una buena razón, explica Ahmad Pesaran, ingeniero jefe de almacenamiento de energía de los Laboratorios Nacionales de Energía Renovable. Un fluido puede fluir en cada espacio vacío para mantener el contacto entre el ánodo y el cátodo. Sin embargo, para que un electrolito sólido funcione, “debe tener superficies realmente buenas que puedan fusionarse”, dice Pesaran. Los materiales también deben resistir la presión sin agrietarse, una tarea difícil para las frágiles cerámicas que se usan en algunas aplicaciones de estado sólido.

De hecho, es más probable que los investigadores de baterías tengan éxito en la comercialización de ánodos de silicio que en el perfeccionamiento de una tecnología de estado sólido, dicen algunos expertos. El silicio tiene potencialmente el doble de densidad de energía que el grafito, que normalmente se usa en baterías de iones de litio, y está mucho más disponible. (La materia prima del silicio es la arena). Una batería de ánodo de silicio podría estar disponible en unos pocos años.El principal desafío ha sido la tendencia del silicio a expandirse a medida que se carga y descarga. “El volumen cambia casi un 300 por ciento si lo haces a su máxima capacidad”, dice Brian Cunningham, gerente de desarrollo de tecnología del Departamento de Energía de EE.UU., “y eso crea mucha tensión mecánica en toda la estructura”, lo que hace que es poco probable que la batería pueda sobrevivir a los ciclos de carga y descarga necesarios de un vehículo comercial. “Estamos diseñando soluciones para reducir ese estrés y tensión”, dice.

Maten, de GM, dice que una mejor idea que debatir sobre tecnologías de vanguardia es simplemente observar qué materiales almacenan la mayor cantidad de energía al menor costo y se pueden obtener sin destrozar las aldeas costeras de Indonesia por níquel o depender de regímenes autoritarios. Los precios de las baterías de iones de litio son volátiles, pero en este momento cuestan alrededor de $150 por kilovatio-hora. Para lograr la paridad de costos con los motores de gasolina, ese precio tiene que bajar al menos a $100 por kilovatio-hora, aunque algunos fabricantes de automóviles apuntan a $60 por kilovatio-hora. Hay muchas maneras de llegar allí, pero nadie sabe cuándo sucederá. “Todo esto todavía se encuentra en gran medida en un entorno de laboratorio”, dice Maten.

El noventa y siete por ciento de todas las reservas de níquel en los EE.UU. se encuentran dentro de las 35 millas de las comunidades nativas americanas.

En el mundo real, las personas que compran vehículos serán los árbitros definitivos de la tecnología de baterías exitosa, dice Cunningham del DOE. Lo que importa es crear una batería que supere las expectativas de los conductores en cuanto a rango y aceleración a un costo que haga discutible el debate entre electricidad y gasolina. “En algún momento llegaremos a este punto de cruce en el que los vehículos eléctricos a batería son más baratos que los convencionales”, dice. No le importa mucho cómo lleguemos allí: estado sólido, silicio o algún otro diseño de batería innovador. El Departamento de Energía de EE.UU., señala, es “agnóstico de la química”.

En octubre 2022, el DOE anunció $2800 millones en subvenciones para 20 empresas diferentes que trabajan para impulsar la producción y el procesamiento de minerales críticos en los EE.UU. En enero se anunciará otra ronda de financiación para empresas específicas. Jigar Shah, director de la oficina de programas de préstamos del DOE, dijo en un video dirigido a investigadores y fabricantes que la IRA agregó $40 mil millones a la autoridad de préstamos de la agencia para apoyar el Programa de Fabricación Avanzada de Vehículos. “El objetivo del programa es realmente aterrizar y reorientar la cadena de suministro para el sector automotriz a medida que descarbonizamos aquí en este país”, dijo. El 12 de diciembre, el DOE otorgó un préstamo de $2500 millonesa Ultium Cells, una empresa conjunta entre GM y LG Energy Solution que producirá baterías con bajo contenido de cobalto en tres instalaciones de EE.UU.

Es importante tener en cuenta que simplemente construir una cadena de suministro de vehículos eléctricos dentro de los EE.UU. y sus países aliados no la hace sostenible, al menos no en el sentido ecológico y de salud pública. Chile es técnicamente una nación amiga de los EE.UU., pero la minería de litio en el desierto de Atacama amenaza las aguas subterráneasy drena las lagunas de las que dependen las comunidades locales y la vida silvestre. El noventa y siete por ciento de todas las reservas de níquel en los EE.UU. se encuentran dentro de las 35 millas de las comunidades nativas americanas, al igual que el 89 por ciento de las reservas de cobre.

Incluso en el Valle Imperial del sur de California, donde la extracción de litio —de la salmuera que ya se está bombeando a 11 plantas de energía geotérmica— ha sido anunciada como un beneficio económico potencial para una comunidad agrícola en apuros, los defensores de la justicia ambiental se preocupan por los posibles impactos negativos. Con una población de 179,000 habitantes, el Valle Imperial es latino en más del 85 por ciento y ha sufrido durante mucho tiempo los efectos en la salud de la deriva de pesticidas de los campos agrícolas y las partículas en el aire del moribundo Salton Sea. Los impactos de la minería de litio en la salud pública aún no se han explorado.

La Comisión de Energía de California estima que “Lithium Valley”, como llama al proyecto Imperial Valley, podría suministrar hasta el 40 por ciento de la demanda mundial de litio, y ya ha invertido $16,5 millones en el desarrollo del recurso. Lo que significa que la producción de litio probablemente seguirá adelante pase lo que pase. El litio, como le gusta decir a Elon Musk, es de hecho el nuevo petróleo.

Cualesquiera que sean los inconvenientes, la adquisición de litio, sin importar dónde se encuentre, probablemente no se ralentizará. Nuestra dependencia de los motores de gasolina y diesel no solo daña el clima y nuestros pulmones, dice Prochazka de la Coalición de Electrificación, sino que es un gran riesgo para la seguridad nacional. “Seguimos exportando miles de millones de dólares anualmente a países que no comparten nuestros ideales”, señala. La tecnología de las baterías puede no ser benigna en todos los sentidos, pero “tenemos un control mucho mayor sobre cómo generamos electrones” que sobre dónde obtenemos nuestro petróleo. “El futuro del transporte”, dice, “es la electrificación. Ese debate ha terminado”.