Una nova generació de bateries ja permet de fer la transició energètica

La tecnologia de bateries de liti actual ja permet de fer la transició energètica amb renovables i prescindir de l’ús de combustibles fòssils. Malgrat tot, les bateries actuals es basen en les que es van inventar els anys noranta per als ordinadors portàtils i més tard per als telèfons mòbils i alguns electrodomèstics. Empreses com ara Tesla les van fer servir per a fabricar cotxes perquè eren disponibles i més barates. Tanmateix, algunes empreses i centres de recerca acadèmica miren de millorar-ne les característiques. Les esperances estan posades en les bateries d’estat sòlid, que ja funcionen als laboratoris, però que no aconsegueixen de dur-les de moment a una escala industrial a causa d’algunes dificultats en la fabricació i dels costs derivats. Alhora, aquests últims mesos s’han anunciat noves bateries amb millores molt destacables. Des de fer servir elements més comuns per a la fabricació fins a preus més baixos, passant per una vida útil més llarga i una velocitat de càrrega més ràpida. Tot seguit repassem les principals alternatives que disputaran l’hegemonia de les actuals bateries de liti.

La principal alternativa: bateries de liti i ferro

No totes les bateries de liti són iguals. Presenten composicions químiques diferents que els donen propietats diferents. Les tradicionals i més emprades per les empreses automobilístiques occidentals són les anomenades NMC. Les sigles fan referència als elements, a banda del liti, de què són compostes: níquel (fins al 80% de la bateria), molibdè i cobalt. En general, les automobilístiques fan servir aquesta mena de química perquè és la que ofereix una densitat energètica més gran –més enllà del preu. Aquest és un aspecte cabdal en els turismes i les motos, perquè l’espai per a la bateria és limitat i reduït. Com més densitat energètica –més electricitat carregada per unitat de volum–, més autonomia tindrà el vehicle.

Avui dia es construeixen moltes fàbriques de producció de bateries arreu del món per abastir la indústria automobilística, en ple procés d’electrificació, i en un segon mercat tan important o més: les bateries per a les llars amb plaques solars i per a les centrals elèctriques renovables. La indústria té dificultats per a trobar prou níquel. Segons el Servei Geològic dels EUA, hi ha prou níquel per a cobrir les necessitats actuals i futures. Però amb l’increment de la demanda, establir noves mines no és un procés ràpid, sinó que pot trigar anys. Això ha forçat les empreses a cercar alternatives que emprin materials disponibles fàcilment al mercat, i han optat per les bateries LiFePo (liti, ferro i fosfat), que no fan servir níquel ni cobalt, un element car i polèmic. Un pas que seguiran molts més fabricants. Tanmateix, no es pot dir que sigui una tecnologia nova. En concret, cal cercar el seu origen en l’actual primera potència mundial en bateries: la Xina.

Les bateries LiFePo presenten avantatges en relació amb les NMC, tot i que també inconvenients. En primer lloc, contenen ferro, un element molt comú i barat. Això fa que siguin més econòmiques que les basades en níquel. Una raó important en un país com és la Xina, on la població té un poder adquisitiu inferior a l’occidental i necessita vehicles elèctrics més econòmics. El principal problema de les bateries LiFePo és la baixa densitat energètica, comparades amb les de NMC, que fa que els vehicles que les incorporen tinguin menys autonomia. Per això fins ara s’han emprat principalment en autobusos, on hi ha més espai disponible per a posar bateries. La Xina ha invertit molt en l’electrificació de la xarxa d’autobusos –el 99% dels autobusos elèctrics mundials circulen al país asiàtic. El resultat d’això és que la Xina domina completament aquesta tecnologia alternativa –de fet, no fa servir les bateries NMC–, i els països occidentals han fet a l’inrevés: s’han centrat en les NMC. Tanmateix, la densitat energètica de les bateries de ferro i liti ha millorat amb els anys, i avui fins i tot empreses com ara Tesla, en aterrar a la Xina, han optat per aquesta química per a la seva gamma d’autonomia estàndard, tot deixant les NMC per a les versions amb més autonomia.

Un segon mercat cabdal on la densitat energètica no és tan important és l’anomenat emmagatzematge estacionari, en contraposició al mòbil –els vehicles. Són les bateries que es fan servir a les centrals de producció renovables i a les llars amb autoproducció solar. Aquí generalment no hi ha problema d’espai, i el fet que les bateries ocupin més espai per emmagatzemar la mateixa quantitat d’energia es compensa amb un preu més baix. De fet, l’expansió en la producció de les bateries LiFePo ha fet que enguany el preu s’hagi reduït pràcticament a la meitat. Avui dia ha esdevingut la tecnologia preferent per a les llars amb plaques solars, cosa que genera que moltes famílies que havien descartat d’adquirir bateries a causa de l’elevat cost i d’una dubtosa amortització econòmica, ara comencin a pensar de fer-ho.

A més, les bateries de liti i ferro presenten un altre avantatge: tenen una vida útil més llarga, perquè resisteixen més cicles de càrrega i descàrrega. Si les NMC admeten entre 1.500 cicles i 5.000, les LiFePO poden doblar aquests valors. Per la qual cosa són més indicades a les llars, on típicament les bateries han de fer un cicle sencer cada dia, a diferència dels vehicles, que fan normalment un cicle cada setmana. A més, les últimes evolucions de les LiFePO milloren la gestió de la temperatura, tot assolint-ne menys i dificultant l’aparició de foc –una de les principals preocupacions dels fabricants d’automòbils–, en comparació amb les NMC. També presenten inconvenients: la gestió de la càrrega és més difícil en les bateries de liti i ferro. Mentre que amb les de liti i níquel hi ha una relació directa entre el voltatge i el percentatge de càrrega –a menys voltatge, menys càrrega–, les de liti i ferro presenten el mateix voltatge amb càrregues entre el 10% i el 90% generalment.

En resum, les bateries LiFePo dominaran el mercat de les bateries durant els anys vinents, tant per a turismes amb autonomia estàndard, com per a autobusos i bateries estacionàries. El desafiament xinès ha donat fruit un cop ha millorat la densitat i la gestió electrònica de la càrrega. Occident, que ha optat per la tecnologia tradicional NMC, quedarà progressivament restringit.

Bateries de càrrega ultraràpida: titanat i grafè

Com hem vist, les bateries de ferro i liti ara per ara són les cridades a dominar el mercat. Una situació que podria no durar gaire si una nova tecnologia té èxit: la del liti titanat. És l’última generació de bateries de liti disponible al mercat. El principal avantatge és la gran velocitat de càrrega: entre 6 minuts i 20, una millora molt notable en relació amb les LiFePo i les NMC. A més, no n’afecta la vida útil, que pot arribar a 15.000 cicles, superior a les de les tecnologies que hem vist. El principal inconvenient és la densitat energètica, i el preu, que és més car per ser una tecnologia nova. Ara per ara, els nous autobusos elèctrics de Moscú les faran servir, perquè carregar ràpidament és cabdal en aquesta mena de vehicles. Si passa com amb les de liti i ferro i millora la seva densitat energètica, pot ser una de les bateries preferides en molts usos, ateses la seva velocitat de càrrega i la vida útil. És difícil que pugui competir en preu amb les de ferro, perquè el titani és un element més car. En qualsevol cas, és una mostra de l’evolució del mercat de bateries a mesura que se n’expandeix l’ús: passem de tenir una química per a tot, a tenir diverses químiques que segons les característiques i el preu són més indicades per a uns usos concrets.

Malgrat això, aquestes últimes setmanes hem vist anuncis molt prometedors. Tant, que fins i tot les novíssimes bateries de liti titanat poden ser superades ràpidament. No fa gaire, el fabricant xinès GAC Aion –no oblidem que la Xina és la primera potència en bateries– ha anunciat que posarà a la venda el model Aion V aquesta tardor, que amb bateries de grafè pot carregar de 0% a 80% en vuit minuts, i de 30% a 80% en cinc. Tot plegat sense malmetre la bateria. Aquest temps és un dels grans objectius dels fabricants de vehicles elèctrics, ja que cinc minuts és el temps que es triga típicament a fer benzina amb un cotxe a combustió. A més, el nou cotxe té una autonomia de 1.000 quilòmetres, i mostra una densitat energètica no vista fins ara. De moment, i a diferència de les de liti titanat que ja són una realitat, les de grafè del fabricant xinès són tan sols un anunci que ha estat rebut amb escepticisme per part dels experts. Ens caldrà esperar molt poc per a saber si realment s’ha assolit aquesta fita, i conèixer les característiques concretes d’aquestes noves bateries potencialment revolucionàries, a banda del seu preu.

Prescindim del liti: sodi i aire

Les bateries de liti evolucionen ràpidament. El liti és un element molt comú i fàcil d’extreure, però com el níquel, ara per ara hi ha problemes per a dimensionar-ne la indústria minera i proporcionar prou liti a causa del gran increment de demanda. Però i si poguéssim fer servir un element encara més comú per a fer bateries? El 29 de juliol l’empresa xinesa CATL presentava la primera generació comercial d’un dels sants greals de la recerca de bateries: les basades en sodi. El sodi es pot obtenir de la sal comuna –clorur de sodi– i és un subproducte de processos industrials que obtenen clor –emprat en el lleixiu, per exemple–, i dels residus d’explotacions mineres com són les mines de potassa i les plantes dessaladores. A banda de poder fabricar bateries gràcies a un dels elements més comuns, ajudaria a reduir, reaprofitar i donar valor a uns residus amb un impacte ambiental important.

Aquesta primera generació de bateries de sodi presenta una densitat energètica per sota de les de liti, però millor que les de titanat. L’empresa xinesa espera millorar aquests valors les pròximes generacions. A més, pot carregar al 80% en tan sols quinze minuts, i funciona més bé a temperatures molt baixes, un dels grans problemes de les bateries de liti. Falta saber-ne més detalls, com ara el preu final i la vida útil –nombre de cicles–, però pot ser una tecnologia revolucionària. Pot arribar a substituir del tot les bateries de liti a les llars i a les centrals renovables. Un mercat que serà més gran que l’automobilístic, i rebaixarà notablement la demanda de liti i níquel, si és que no aconsegueix substituir-los en aquest sector també. Perquè, què hi ha més comú que la sal marina?

Bé, hi ha un element encara més comú: l’aire. A final de juliol s’anunciava la disponibilitat comercial de bateries d’aire-ferro. En aquest cas, aquesta nova tecnologia es destina a les centrals de producció elèctrica, perquè les bateries ocupen molt d’espai –tenen una densitat energètica molt baixa. Poden produir electricitat durant cent hores seguides (quatre dies) i a una desena part del cost de les bateries de liti, 20 dòlars/kWh. Difícilment cap altra tecnologia podrà competir en preu amb aquesta, perquè parlem de dos elements molt abundants. A més a més, el ferro es pot reciclar fàcilment. Les bateries d’aire-ferro poden representar una disrupció en un sector, el de la producció elèctrica, que requerirà bateries immenses per alimentar ciutats senceres. En aquest sentit, les bateries d’aire-ferro poden representar el pas definitiu per a passar a un sistema energètic basat íntegrament en renovables, prescindint completament de les centrals de gas i de l’energia nuclear.

La recerca en bateries continua

Gairebé tothom té clar avui dia que tindrem un sistema energètic basat completament en generació renovable. Les bateries són una tecnologia clau per a assolir-ho, i és per això que aquests últims anys s’ha fet una forta inversió en recerca que ara dóna fruits. Per una banda, abaixar-ne el cost, tot fent servir materials més comuns. Per una altra banda, millorar-ne les característiques tècniques. Que carreguin més ràpidament, que aguantin millor les temperatures extremes, i que siguin més segures i no causin incendis. Fins ara l’atenció s’havia posat en les bateries d’estat sòlid, una tecnologia que no acaba d’arribar a causa de les dificultats de fabricació i del seu elevat cost. Tanmateix, aquests últims mesos hem vist l’anunci i la maduració d’un seguit de tecnologies que milloren notablement aquestes àrees. Som al moment inicial de l’expansió del mercat de bateries i la recerca no s’aturarà aquí. 

No hem d’oblidar tampoc la batalla geopolítica. Avui dia la Xina encapçala la cursa tecnològica. Però a Europa i als Estats Units els governs i les empreses posen les bases industrials per competir de tu a tu amb el gegant asiàtic. Inversions de les quals veurem els primers fruits els cinc anys vinents. Això farà incrementar les prestacions de les bateries i abaixar-ne el preu, tot emprant diferents químiques segons cada ús específic. També permetrà de diversificar els elements emprats i no dependre exclusivament del liti i el níquel, tot afavorint la producció local i disminuint la dependència de la Xina. La revolució energètica tot just comença i segurament encara arribaran més innovacions.