La fabricació de bateries de sodi arriba a Europa, una oportunitat industrial per al país

El 21 de novembre el fabricant de bateries suec Northvolt va anunciar que havia desenvolupat la seva primera bateria de sodi. Aquesta nova tecnologia pot ser l’alternativa principal a les bateries de liti perquè és més barata i perquè el sodi és molt més comú que no pas el liti. Fins ara tan sols els fabricants xinesos n’havien fet. Anunciades per primera vegada el 2021, les primeres unitats es van fabricar a final de l’any passat. A principi d’any hi havia trenta-cinc productors xinesos en una etapa de proves internes i cinquanta més en una fase desenvolupament en laboratori. Durant la primera meitat de l’any, vint fabricants xinesos donaven mostres de bateries de sodi a clients potencials, i els experts esperaven que durant la segona meitat de l’any més de cinc companyies del gegant asiàtic poguessin fabricar-les en massa.

L’anunci de Northvolt representa la primera competència europea en aquest sector emergent. A més, presenta innovacions molt significatives en la sostenibilitat de la fabricació. El sodi, gairebé inexhaurible, pot esdevenir un element cabdal per a l’economia europea. A Catalunya hi ha unes quantes plantes que en produeixen, i el naixement d’una indústria europea de bateries de sodi pot ser una gran oportunitat per a l’economia del Principat. Abans, tot apunta que haurà d’augmentar la producció d’energia renovable si vol competir-hi.

El funcionament de les bateries, per a entendre l’abast de l’anunci de Northvolt

L’anunci de la companyia sueca és molt prometedor en molts aspectes. Per entendre’n l’abast cal primer repassar com funciona una bateria, quina és la situació del mercat i les dificultats amb què topa. Les bateries tenen un pol positiu i un de negatiu. El primer es diu càtode i el segon, ànode. A més, en el cas de les recarregables, cal un element que es pugui moure entre el càtode i l’ànode indistintament. El liti n’és el principal ara com ara. Quan una bateria és carregada, el liti amb els seus electrons és a l’ànode. Per generar electricitat, els electrons van cap al càtode (l’electricitat és un flux, un corrent, d’electrons) i el liti es transforma en un ió positiu, que es mou cap al càtode, on han anat a parar els electrons, a cercar-los. Quan carreguem la bateria, movem els electrons una altra vegada cap a l’ànode, i aleshores el liti també s’hi mou per tornar a unir-se als electrons.

Tant el càtode com l’ànode tenen espais on emmagatzemar els àtoms de liti. Són com places d’aparcament, i per això s’empra aquesta analogia per explicar, per exemple, per què una bateria de liti triga molt a carregar-se a partir del 80%. Passa igual que en un supermercat. Si hi anem a primera hora, quan el pàrquing és buit, hi aparcarem en un moment. Igual que una bateria de liti es carrega molt de pressa al començament, quan és buida. Però si anem al supermercat en hora punta, l’aparcament serà ple, i haurem de perdre el temps donant-hi voltes fins a trobar una plaça lliure. Els àtoms de liti, quan la càrrega és per sobre del 80%, comencen a tenir dificultats per a trobar un espai lliure al càtode, atès que hi ha menys places lliures.

Segons els materials de què són fets el càtode i l’ànode, tindran més places d’aparcament o menys. D’això se’n diu densitat energètica. Com més densitat, més places. Generalment, quan es parla de la química d’una bateria de liti, es fa referència als elements que conformen el càtode. Així, una bateria NMC, vol dir que el seu càtode és format per níquel, molibdè i cobalt. Aquests elements són els que donen més places d’aparcament, més densitat energètica, en relació amb les bateries LFP, en què el càtode és format per ferro i fòsfor. Uns elements més comuns i barats que no els anteriors, però que tenen menys densitat energètica.

Respecte de l’ànode, la major part de bateries de liti recorren al grafit, l’element que trobem als llapis. El grafit pot ser natural, obtingut de mines. La producció és dominada per la Xina, que en té el 65% mundial. D’ençà de final del segle XIX es fabrica grafit artificial a partir de petroli i carbó. Tanmateix, s’ha començat a fer servir un material alternatiu per a l’ànode, el silici, molt més comú. I que, a més, té el doble de places d’aparcament, és a dir, que dobla la densitat energètica d’una bateria, incentiu principal per a fer-lo servir, a banda del preu. Un altre aspecte clau d’una bateria és la vida útil, els cicles de càrrega i descàrrega que pot fer abans de deixar de funcionar. O, dit d’una altra manera, quants viatges d’anada i tornada poden fer els àtoms de liti entre les places d’aparcament al càtode i les de l’ànode.

A les bateries LFP el liti pot fer molts més viatges, uns 5.000 en cotxes i 10.000 en les bateries estacionàries, les que s’instal·len a les cases i les centrals elèctriques. Les NMC, en canvi, permeten uns 1.000-1.500 en les primeres, i uns 3.000 en les segones. El motiu d’aquests límits és que, quan carreguem molt de pressa una bateria, s’escalfa i s’expandeix. I aleshores hi pot haver microfractures en el càtode i l’ànode, cosa que inutilitza places d’aparcament. Per això, una gestió adequada de la temperatura de les bateries n’allarga la vida útil, i també es recomana de carregar-les lentament, atès que aleshores s’escalfen menys. A més, amb els viatges d’anada i tornada també hi pot haver reaccions químiques entre els materials, cosa que produeix dendrites, uns sobrecreixements que també originen microfractures.

Així doncs, la indústria de bateries és centrada a trobar materials alternatius per al càtode, l’ànode i l’element que genera l’electricitat, el liti, i augmentar-ne la vida útil. No necessàriament per a substituir del tot les bateries de liti actuals, sinó per a tenir-ne més diversitat i no dependre d’uns elements concrets exclusivament. A més, si són més barats i comuns, molt millor. I ací l’anunci de Northvolt presenta moltes innovacions.

Les innovacions de Northvolt

L’anunci de la companyia sueca va molt més enllà que la bateria faci servir el sodi d’element que genera el corrent elèctric. Certament, trobar una alternativa al liti és una de les prioritats mundials. Tanmateix, el preu del liti ha baixat d’un 70% enguany, d’un màxim 84.000 dòlars per tona als actuals 16.000. Encara és més alt que no abans de la pandèmia (6.000 dòlars), motiu pel qual els analistes consideren que continuarà baixant. De fet, ara com ara hi ha un excés de producció de liti i hi ha mines a la Xina, principal productor mundial, que han hagut de tancar momentàniament. A més, a la resta del món s’obren noves mines de liti i hi ha hagut troballes recents, com ara un gran dipòsit als EUA equiparable en volum al jaciment de liti més gran del món en producció ara com ara.

Tanmateix, el sodi és un element pràcticament inesgotable. Entre més motius, perquè sabem sintetitzar-lo industrialment i de manera econòmica a partir de sal marina d’ençà de final del segle XIX. Aquest és l’atractiu principal del sodi, juntament amb el fet que és més barat d’obtenir que no pas el liti. Això no obstant, també té inconvenients. El principal, que és un àtom més gros i, per tant, necessita places d’aparcament més grans. I això vol dir que les bateries de sodi sempre tindran una densitat energètica més baixa que no pas les de liti. Northvolt ha anunciat que la seva primera generació de bateries té una densitat de 160 Wh/kg, equiparable a les de primera generació de LFP, però no al mateix nivell de les més modernes (al voltant de 200 Wh/kg), i lluny de les NMC, que són al voltant de 250-350 Wh/kg amb ànode de grafit, i de 500 Wh/kg amb ànode de silici. Uns quants fabricants de bateries de sodi esperen arribar en generacions futures a densitats de 200 Wh/kg.

Aquesta baixa densitat energètica és un inconvenient per a un cotxe en què vulguem tenir tanta autonomia com sigui possible, perquè necessitaríem una bateria de sodi tan grossa que no hi cabria. D’entrada, solament aniran als cotxes d’autonomies més baixes, vehicles del segment urbà. Però això no és cap obstacle per a les bateries estacionàries, en què l’espai no és una limitació. Northvolt ha dit que aquesta primera generació de bateries de sodi era adreçada principalment a emmagatzematge estacionari i que els primers clients potencials en rebran mostres durant l’any vinent. Cal tenir en compte que els experts calculen que el volum de bateries necessari en aquest segment serà equiparable al dels vehicles elèctrics. Això vol dir que les bateries de sodi podrien baixar a la meitat la necessitat de producció de bateries de liti, malgrat que encara se n’ha d’expandir la producció enormement, atès que la producció de cotxes elèctrics ha de créixer molt.

Innovacions en els materials del càtode i l’ànode

Northvolt no ha donat detalls sobre la vida útil de les bateries de sodi, més enllà de dir que tindran un nombre excepcionalment elevat de cicles de càrrega i descàrrega. Els experts consideren que serà equivalent a la de les bateries LFP. El càtode de les noves bateries de sodi de Northvolt són una altra de les grans innovacions de l’anunci. Els suecs fan servir un material anomenat blanc de Prússia, que és una transformació química del blau de Prússia, un pigment que es fa servir d’ençà del segle XVIII i que actualment es produeix industrialment. Químicament és un ferrocianur de sodi. És a dir, format per sodi, ferro i cianur (que és format per carboni i nitrogen). Cal dir que el cianur és un element molt tòxic, però quan s’ajunta amb el ferro és molt estable i la toxicitat baixa molt. De fet, els ferrocianurs es fan servir d’additius alimentaris normalment i, per tant, no cal patir per la toxicitat de les noves bateries que el facin servir. D’aquesta manera, els càtodes de les noves bateries de sodi de Northvolt usen elements molt comuns i barats i prescindeixen del níquel i el cobalt.

Northvolt, amb les noves bateries de sodi, també sembla que ha solucionat un altre coll d’ampolla en el context actual de pujada sobtada de la demanda de bateries: l’ànode de grafit. La producció de grafit natural és dominada per la Xina, i uns altres països, com ara els EUA, no en tenen cap mina. El grafit artificial es fa a partir de petroli i carbó, com hem vist, elements que no són renovables. Els suecs han desenvolupat un nou càtode basat en “carboni dur” (hard carbon en anglès). Així com el grafit, és format exclusivament per carboni, però tots dos elements tenen una estructura diferent. L’avantatge del carboni dur és que es pot fabricar a partir de lignit i sucrosa, és a dir, de materials orgànics renovables, com ara la fusta.

Una oportunitat industrial per al país?

El desenvolupament d’una indústria de bateries de sodi a Europa segurament serà una de les prioritats de la UE. Fetes a partir d’elements comuns i, fins i tot, renovables, poden ser d’interès especial per a la indústria química. Particularment, la coneguda com a cloralcalina, i que ens enllaça amb les energies renovables. El procés cloralcalí es va desenvolupar a final del XIX per a produir, a partir de sal comuna (clorur de sodi), sodi en forma de sosa càustica (hidròxid de sodi) i clor, gràcies a l’electròlisi, és a dir, amb electricitat. Dos elements químics que s’usen per a infinitat de productes quotidians. Ara aquesta producció també es pot aprofitar per fer bateries. A més, el procés cloralcalí també produeix hidrogen com a subproducte.

A Catalunya hi ha dues plantes cloralcalines que produeixen sodi a Vila-seca i Tarragona, i hi ha una tradició de producció industrial que es remunta a final del XIX. També cal tenir en compte que a Sagunt es fa una gran fàbrica de bateries, que podria reorientar la fabricació a aquesta nova mena de bateries. En general, les línies de producció de bateries actuals es poden adaptar amb relativa facilitat a les noves químiques. El fet que al Camp de Tarragona hi hagi un dels centres de producció química més importants d’Europa, i que disposi de producció de sodi, pot ser un al·licient per a atraure la fabricació de les noves bateries. A més, del procés se’n pot obtenir hidrogen verd.

Hi faltaria una altra pota: l’electricitat renovable. La indústria cloralcalina consumeix molta energia. Precisament a principi d’any la multinacional alemanya Covestro, nascuda dins Bayern, va inaugurar la primera planta industrial mundial cloralcalina que emprava una nova tècnica que permetia un estalvi del 25% d’electricitat en el procés d’obtenció de clor i sodi. L’objectiu principal és abaixar els costs energètics per ser més competitius, cosa per a la qual és fonamental que l’electricitat sigui tan barata com sigui possible. I la manera més econòmica d’aconseguir-ho és amb plaques solars i molins eòlics. Moltes empreses ja tenen en compte la disponibilitat de generació renovable a prop per establir-se en un lloc o en un altre.

En conclusió, l’anunci de Norhtvolt és molt important per a l’economia de la UE i el medi: es podran fabricar bateries a partir d’elements molt comuns, alguns fins i tot renovables, com ara la fusta, i la indústria química continental els pot proporcionar, i a partir d’energies renovables. El nostre país sabrà aprofitar aquesta nova oportunitat industrial? Northvolt, que té de clients empreses com ara Volkswagen, Volvo, BMW i Scania, ha anunciat que vol obrir cinc plantes a Europa i els EUA. Els fabricants xinesos de bateries segurament també acabaran fent plantes de producció de bateries de sodi al nostre continent, com ja fan amb les de liti. I no cal descartar que més empreses europees desenvolupin les seves pròpies bateries de sodi i s’afegeixin a un sector que tot apunta que creixerà vertiginosament aquests anys vinents.