01.04.2023 - 21:40
La gran majoria d’analistes i experts considera que ja tenim la tecnologia necessària per a fer la transició energètica i prescindir del tot dels combustibles fòssils, excepte en casos molt particulars i minoritaris. Però la recerca per a millorar-les no s’ha aturat pas. La seva implantació progressiva i en massa origina desafiaments nous. Un dels més importants afecta les bateries. Amb els vehicles elèctrics i l’emmagatzematge estacionari, necessari per a donar suport a les renovables, cal expandir-ne la mineria i la fabricació molt considerablement, cosa que causa colls d’ampolla importants. Moltes empreses i països dediquen molts recursos a la recerca per solucionar les dificultats que van sorgint, i aquestes darreres setmanes s’han publicat avenços molt significatius. Tot seguit us els expliquem.
Les bateries xineses que superen les de Tesla
A final de l’any passat va ser notícia que la Xina començava a fabricar bateries de sodi, que substitueixen el liti per aquest element que es pot obtenir de la sal comuna. La seva producció anirà augmentant progressivament, però haurà de conviure amb la tecnologia d’ió liti encara dominant, si més no en un futur pròxim. De bateries d’ió liti ara com ara en tenim dues tecnologies principals. Les NCM, per níquel, cobalt i manganès (a més del liti); i les LiFePo o LFP, per liti, ferro i fosfat. Per les primeres hi opten sobretot companyies occidentals, perquè tenen una densitat energètica més gran i donen més autonomia als vehicles. En canvi, les LFP són les preferides de les empreses xineses, perquè són més econòmiques i de materials més comuns, i també eviten l’ús del polèmic cobalt. A la pràctica, ara com ara, tota la indústria, sigui occidental o asiàtica, aplica les LFP (i aviat, de sodi) als vehicles més barats i de menys autonomia, i les NMC als de més autonomia i més cars.
El 21 de març, la xinesa CATL, primer fabricant mundial de bateries, anunciava que finalment fabricava a gran escala la seva nova bateria Qilin, presentada l’estiu passat. Més que una química nova, és una manera nova d’encabir les piles o cel·les dins el paquet de bateries. Un paquet no solament és compost per les piles, sinó que també inclou el sistema de refrigeració i l’electrònica de gestió. La nova bateria Qilin optimitza l’empaquetament i fa que el 72% del volum sigui ocupat per les piles, cosa que aconsegueix una densitat energètica d’un 13% més que no les bateries 4680 de Tesla, que fins ara era la referència del sector.
L’avantatge de la bateria Qilin és que es pot aplicar tant a la química NMC com LFP. Això fa més competitives les bateries LFP, que s’aproximen a donar prou autonomia (400-500 quilòmetres) per a la major part de situacions d’ús de qualsevol família, cosa que abaratiria el preu de compra dels cotxes elèctrics i els faria més accessibles. En el cas de les NMC, pot oferir autonomies de 1.000 quilòmetres i superar la majoria dels vehicles de benzina. Unes quantes marques automobilístiques, especialment xineses, ja han dit que farien servir les noves bateries de CATL.
Com abaixar de quatre vegades la necessitat de materials per a fabricar bateries?
Amb l’empaquetament Qilin es millora la densitat de la bateria i s’aprofita tant com es pot l’espai disponible. CATL diu que assoleix una densitat de 255 Wh/kg a les NMC i 160 Wh/kg amb les LFP a escala de paquet. Això equival a uns 350 Wh/kg i 220 Wh/kg a escala de pila/cel·la respectivament, uns valors molt alts dins el sector. Però hi ha companyies que ja ho han superat. El 23 de març, els californians d’Amprius van presentar les seves noves cel·les d’ió liti amb una densitat energètica de 500 Wh/kg, gairebé el doble de la mitjana. L’anunci té grans implicacions. Per una banda, amb la mateixa mida de bateria, poden oferir molta més autonomia. També es pot optar per conservar la mateixa autonomia amb gairebé la meitat de la bateria. A banda de ser més econòmic, vol dir que cal la meitat de materials per a fabricar-les: menys mineria, menys transports i menys indústria. Una mateixa fàbrica de bateries pot servir ara per al doble de cotxes. Tenint en compte que el temps d’obrir mines noves i fer més fàbriques de bateries és el factor principal que limita l’augment de la producció de vehicles elèctrics, aquesta nova tecnologia de bateries pot tenir un gran impacte.
A més, la companyia diu que la vida útil de les bateries noves és del doble de les actuals. Amb la combinació de la densitat energètica més gran i la vida útil més llarga, podria fer baixar quatre vegades la necessitat de fabricació i materials a llarg termini. Per si això no fos prou, les noves bateries d’Amprius superen el valor crític de densitat de 400 Wh/kg, que els experts apunten com a necessari per a electrificar els avions comercials. La companyia ha anunciat la construcció d’una fàbrica amb capacitat de 5 GWh anuals.
Ànodes de silici, la gran innovació
Si Amprius ha assolit aquesta densitat energètica tan elevada és perquè és una de les primeres companyies que fa servir ànodes de silici. Una bateria disposa d’un càtode (elèctrode positiu) i un ànode (elèctrode negatiu), entre els quals es mou l’ió de liti, en un sentit quan es carrega i en el contrari quan es descarrega. Fins ara, els ànodes eren de grafit, un material amb una densitat energètica relativament baixa i en què hi ha dendrites, uns sobrecreixements que acaben malmetent la bateria a mesura que es van fent cicles de càrrega-descàrrega. A més, el 79% de la producció mundial és controlat per la Xina.
Tot plegat ha fet que produir ànodes de silici hagi estat una de les prioritats de moltes companyies i governs, especialment occidentals. El silici és un dels elements més comuns del planeta i és entre sis vegades i deu més barat que no pas el grafit. La dificultat, ara resolta, de fer servir el silici als ànodes era que cal fer-ne nanofils, unes estructures molt petites, a escala de nanòmetres. Els nanofils redueixen l’aparició de dendrites, per la qual cosa, a banda de fer augmentar la densitat energètica, allarguen la vida de les bateries.
Empreses com ara Tesla també fan ànodes de silici. De fet, els californians també miren de deixar de dependre dels minerals controlats per la Xina. Fa poc, van presentar el nou motor dels seus vehicles, que prescindeix del tot de les terres rares per elaborar els imants, uns elements en què la Xina també en controla la producció. Tesla no va aclarir quin material alternatiu fa servir, però en els molins de vent ja fa temps que s’opta per la ferrita, compost per ferro d’element principal i petites proporcions d’uns altres metalls, com ara estronci, bari, manganès, níquel i zinc. La previsió dels analistes és que la tecnologia d’ànodes de silici es vagi estenent a la resta de fabricants de bateries.
De fet, això podria passar ben aviat. El 20 de març la companyia australiana Kinaltek va anunciar un avenç “revolucionari” per a produir materials de nanosilici (nanopartícules i nanofils de silici, i nanocomposts de silici i carboni) en grans volums i de manera molt econòmica. Diuen que fins ara el cost de produir-los era prohibitiu, al voltant de 1.000 dòlars per quilogram, atès que calia un procés molt complex per fabricar-los, d’uns quants passos. En canvi, ara han trobat com transformar pols de silici en nanopartícules en un sol pas a pressió ambiental i temperatures per sota de 500 ºC. El resultat és que el cost de producció ara se situa entre 5 dòlars per quilogram i 50. Ara com ara, els australians poden produir al laboratori un volum d’1 quilogram, però ja pensen en una planta pilot per treballar amb volums d’una tona. Si se’n surten, posaran a l’abast de qualsevol companyia l’ús d’ànodes de silici. Kinaltek diu que ja parla amb els fabricants més grans.
Bateries d’electròlits sòlids, més a prop de la realitat
Un dels inconvenients principals de les bateries actuals és que empren un electròlit líquid. L’electròlit se situa entre l’ànode i el càtode i és el conductor dels ions (de l’electricitat) entre ells. Que sigui líquid causa dos inconvenients. Primer, la seva densitat més baixa en relació amb un sòlid, un paràmetre crític. El segon té a veure amb la seguretat. Si una pila és foradada accidentalment, el líquid s’escola i la deixa sense electròlit, cosa que fa que l’ànode i el càtode se sobreescalfin i es puguin incendiar. Un dels fronts principals de recerca en bateries és substituir l’electròlit líquid per un de sòlid per augmentar la densitat i seguretat de la bateria: si és perforada, la resta de l’electròlit no es mou de lloc i la bateria continua funcionant, sense sobreescalfar-se.
Al febrer investigadors del Laboratori Argonne del Departament d’Energia dels EUA van anunciar que havien desenvolupat una bateria de liti-aire amb electròlit sòlid, i en van publicar l’estudi a la prestigiosa revista Science. Aquesta darrera dècada, científics de tot el món han mirat de construir bateries de liti que usin l’oxigen de l’aire. “Les bateries de liti-aire tenen la densitat d’energia més alta de qualsevol tecnologia de bateries que es consideri per a la pròxima generació més enllà dels ions de liti”, diuen els investigadors. La nova bateria aconsegueix una reacció química que empra quatre electrons, enfront d’un o dos de generacions anteriors. Més electrons vol dir més densitat energètica. Tot plegat fa que les noves bateries de liti-aire tinguin una densitat quatre vegades més elevada. A més, arriben a una vida útil de 1.000 cicles, un dels inconvenients de generacions anteriors. Els experts consideren que aquesta tecnologia té un gran potencial per a substituir les actuals bateries d’ió liti en cotxes, camions de gran recorregut i avions.
Bateries de sofre i níquel
Una de les tecnologies de bateries de què més s’ha parlat és la de liti-sofre. El sofre és un dels elements més abundants i barats. Actualment, la seva font principal són els combustibles fòssils, com a subproducte. El petroli i el gas contenen sofre, però és un element que no interessa en la combustió. De manera que s’extreu quan es refinen. Tanmateix, la seva disponibilitat no depèn de l’ús de combustibles fòssils. El Servei Geològic dels EUA considera que els recursos de sofre són “gairebé il·limitats” tan sols si es consideren els dipòsits de guix i anhidrita, dos sulfats de calci. A més, cal tenir en compte que la pirita (sulfur de ferro) és el sulfur més comú i es troba en moltes menes de roques.
Per aquesta raó, un dels objectius dins el sector ha estat de fer bateries de liti que substitueixin els metalls (níquel, cobalt, molibdè i ferro) que formen els càtodes per sofre. I sembla que els texans de Zeta Energy ho han aconseguit, tal com explicaven fa poc al canal especialitzat Munro Live. La seva bateria és composta per un ànode format per liti metàl·lic sobre un substrat de coure sobre el qual es fan créixer nanotubs de carboni en tan sols trenta segons, que eliminen del tot l’aparició de dendrites.
Juntament amb el deteriorament químic del sofre, la dificultat principal d’aquesta mena de bateries fins ara i solucionada per la companyia, fa que les noves bateries arribin a dos mil cicles de vida útil. El càtode, per la seva banda, és compost solament per sofre, carboni i un polímer, sense usar cap metall. Segons Zeta Energy, la seva fabricació és senzilla, amb processos industrials molt semblants als que segueixen la indústria farmacèutica, cosmètica i alimentària.
Tot plegat fa que el cost de les noves bateries se situï en 50 dòlars per kWh, significativament per sota de les bateries d’ió liti actuals. Zeta Energy, ara mateix una empresa emergent, ara com ara produeix bateries de sofre amb una densitat energètica de 300 Wh/kg, amb un volum de producció d’1 kg per dia. El 2024 farà una planta pilot i en multiplicarà per 10 la producció i arribarà a una densitat de 450 Wh/kg. La producció a gran escala (> 1 GWh), tant als EUA com a Europa, esperen engegar-la el 2026 i arribar a una densitat de 600 Wh/kg. Més avantatges de la nova bateria de sofre són que permeten una velocitat de càrrega molt elevada i si no es fan servir durant un any, perden menys del 5% de la càrrega.
Finalment, la companyia californiana EnerVenue va anunciar el 28 de març que engegava la construcció d’una gigafactoria (més de 20 GWh per any) per fabricar bateries de níquel-hidrogen. És una mena de bateria emprada de fa dècades per la NASA en satèl·lits i l’Estació Espacial Internacional i que fa servir l’hidrogen com a electròlit i prescindeix del tot del liti, cosa que pot contribuir a disminuir-ne la demanda. Les d’EnerVenue s’orienten a l’emmagatzematge estacionari (grans bateries per a centrals elèctriques), que els experts calculen que representarà un volum tan important com el del sector automobilístic. La innovació que han assolit és superar els 30.000 cicles de vida útil. De fet, la companyia ofereix una garantia de 20 anys i 20.000 cicles, després dels quals la bateria encara mantindrà un 88% de la capacitat original.
Hem engegat l’any amb novetats molt destacades, ara que tothom té clar que ha d’augmentar molt la fabricació de bateries durant aquesta dècada per cobrir la gran demanda dels fabricants de cotxes i companyies elèctriques. Totes les tecnologies que hem vist hauran de conviure atesa la gran necessitat que hi ha, mentre la innovació se centra a solucionar i mitigar els colls d’ampolla actuals: disminuir la demanda de materials, multiplicar-ne la producció, eliminar la dependència de la Xina i usar materials comuns i de baix cost. La recerca i desenvolupament continua i durant els anys vinents és d’esperar que hi hagi encara més novetats.
