El fosfato de hierro sustituye al níquel-manganeso-cobalto como material catódico
Todavía podemos permitirnos el impulso de la electromovilidad, subvencionado políticamente con hasta 9.000 euros por vehículo(Fig. 1). Y con 50 millones de vehículos existentes con motor de combustión en Alemania frente a 0,6 millones de vehículos eléctricos de batería (BEV) - hasta finales de 2021 - esto sigue siendo sólo una gota de agua en el océano. Sin embargo, si los 10 millones de BEV previstos se cargan juntos en los buzones por la noche de aquí a 2030, la pregunta de dónde procederá la energía necesaria sigue sin respuesta.
La cuestión de las condiciones de trabajo en las que se extraen el litio, el níquel, el manganeso y el cobalto y los daños medioambientales que causan tampoco ha interesado hasta ahora más que a unos pocos. Aparte de que los precios también se están disparando debido a la gran demanda de electromovilidad. El níquel, por ejemplo, costaba unos 11.000 dólares por tonelada en la Bolsa de Metales de Londres (LME) en abril de 2020 y hasta la fecha se ha duplicado hasta los 20.500 dólares por tonelada(Fig. 2).
Fig. 2: Evolución del precio del níquel en la Bolsa de Metales de Londres de 4-2020 a 11-2021, de 11.000 USD/tonelada a 20.500 USD/tonelada
Densidad energética en Wh/kg
Fig. 3: Densidad energética en Wh/kg para sistemas de baterías y combustiblesLadensidad energética de las baterías es la capacidad en vatios hora por kilogramo de masa. Mientras que las viejas baterías de plomo sólo tienen una densidad energética de 35 Wh/kg, las baterías de iones de litio ya alcanzaron una densidad de 125 Wh/kg en 2010. Este año se están utilizando baterías de iones de litio de hasta 250 Wh/kg en coches eléctricos. En comparación, el chocolate tiene una densidad energética de 6400 Wh/kg, la gasolina súper 12.000 Wh/kg y el hidrógeno (H2) 33.000 Wh/kg. Por eso, desde que se presentó por primera vez en unas conferencias, esta cifra ha recibido el sobrenombre de "lámina de chocolate"(Fig. 3).
Ahorro de materias primas, baterías de fosfato de hierro y litio
La química celular habitual para las baterías utiliza óxido de cobalto, manganeso, níquel o fosfato de hierro y litio. La batería de litio hierro fosfato (LiFePO4) pertenece a la familia de las baterías de iones de litio. El electrodo positivo está formado por fosfato de hierro, a diferencia del electrodo de óxido de cobalto que se utiliza habitualmente. Las pilas de litio hierro fosfato se desarrollaron hace unos 20 años.
Se fabrican en los diseños cilíndricos estándar 18650 y 26650. El tamaño exacto de la pila se puede leer en la designación del tipo: una pila 18650 tiene un diámetro de 18 mm y una longitud de 65 mm. También son posibles las pilas planas en forma de bolsa. Las pilas de fosfato de hierro tienen una tensión nominal de 3,2 a 3,3 voltios, inferior a la de otras pilas de iones de litio. La tensión de descarga es de 2 a 2,5 voltios.
La ventaja de las baterías de litio hierro fosfato radica en su gran estabilidad de ciclo y vida útil (10.000 ciclos de carga), así como en sus altas corrientes de descarga estables y sus costes de fabricación entre un 30 y un 50 % más bajos.
En términos ecológicos, una batería de LFP no contiene metales pesados como níquel, cadmio o cobalto. La combinación de materiales permite reciclar casi el 100 % de los metales utilizados y el 90 % de los materiales del electrodo y el separador de polímero también pueden reciclarse.
Pero también hay una desventaja: las baterías de litio hierro fosfato tienen una densidad energética de sólo 210 Wh/Kg, lo que es entre un 10 y un 15 % inferior a la de las baterías de iones de litio con 250 Wh/Kg [l]. Esto supone un peso adicional y, por tanto, una pérdida de autonomía, así como una mayor sensibilidad al frío.
Fig. 4: Baterías de fosfato de hierro frente a las de iones de litio China 2020/2021
Los fabricantes de coches eléctricos descubren las baterías de litio hierro fosfato
Fig. 5: Tesla Model 3 con baterías de litio hierro fosfato (LFP) Junto con varios usuarios chinos y fabricantes de baterías como BYD y CATL, Tesla ha estado instalando las baterías LFP más rentables en modelos base como el Model 3 desde 2020(Fig. 5). Con ello también se pretende reducir la dependencia de materias primas de las baterías de níquel-manganeso-cobalto que se han venido utilizando hasta la fecha.
Mercedes tiene previsto instalar baterías LFP en sus modelos básicos EQA y EQB a partir de 2024. VW también tiene previsto utilizar esta tecnología en su serie de coches pequeños ID, al igual que Ford, Renault y Hyundai.
Con unos costes de fabricación entre un 30 % y un 50 % más bajos, esta apuesta por las baterías de litio-hierro-fosfato no es ninguna maravilla. Además del níquel, el precio del cobalto también se ha duplicado, pasando de 30.000 dólares por tonelada a más de 60.000 dólares por tonelada(Fig. 6).
Fig. 6: Evolución del precio del cobalto en la Bolsa de Metales de Londres de 1-2020 a 11-2021, de 30.000 dólares/tonelada a > 60.000 dólares/tonelada
CATL y BYD, en particular, han sido capaces de reducir aún más los costes de fabricación gracias a la tecnología blade(Fig. 7). Blade Battery" es el nombre comercial de las baterías LFP (baterías de litio-hierro-fosfato) de BYD, que utilizan el método célula-paquete, es decir, las células se instalan directamente en el paquete de baterías sin el paso intermedio de los módulos.
Bajan los precios de las baterías de los BEV
Fig. 7: Batería Blade del fabricante chino BYD con tecnología LiFePO4Lasbateríasde iones de litioestán experimentando una caída de precios sin precedentes. Tan recientemente como en 2010, el precio era de 1.100 USD/Wh y teóricamente habría supuesto 110.000 USD para un Tesla con una batería de 100 KWh.
Ya en 2019, los precios medios solo rondaban los 160 dólares por kilovatio hora y cayeron un 13% hasta los 137 dólares/KWh el año pasado. En estos años, el umbral mágico de los 100 US$/KWh se alcanzó por primera vez en China.
Las nuevas combinaciones de materiales mejoran el comportamiento de carga y la densidad energética y reducen los costes. Entre ellos figuran el óxido de litio, níquel, manganeso y cobalto y el óxido de litio, níquel, manganeso y cobalto y aluminio, que ya se producen a gran escala.
En China, en particular, la combinación de litio y fosfato de hierro se está introduciendo en el mercado como una alternativa especialmente rentable y ha contribuido a que los precios de las pilas sean los más bajos hasta la fecha, 80 dólares por kilovatio hora en 2020(Fig. 4).
La producción en masa y la elevada utilización de la capacidad de las plantas están impulsando la disminución de los costes. El objetivo para 2030 es de 50 dólares/KWh con un nuevo aumento de la densidad energética hasta los 400 Wh/Kg previstos.
También se están desarrollando baterías de estado sólido, que pueden producirse al 40 % del coste de las actuales baterías de iones de litio.
En pocas palabras
- En Alemania circulan unos 50 millones de coches. Este año habrá alrededor de 1 millón de BEV e híbridos enchufables.
- La explosión de los precios de las materias primas ha acelerado la búsqueda de alternativas para la química de las baterías. El níquel se cotiza actualmente a 20.500 dólares por tonelada en la LME, frente a los 11.000 dólares por tonelada a principios de 2020, mientras que el cobalto también se ha duplicado, pasando de 30.000 dólares por tonelada a más de 60.000 dólares por tonelada en el mismo período
- La batería de litio hierro fosfato no contiene metales pesados y es entre un 30 % y un 50 % más barata que la batería convencional de iones de litio. CATL y BYD fabrican estas baterías para los modelos base chinos, pero también para el Tesla Model 3 o, en breve, para los nuevos Mercedes de las clases EQA y EQB.
- Ventajas: A prueba de ciclos, robustas, altas corrientes de descarga, larga vida útil y reciclables. Inconvenientes: entre un 10 % y un 15 % menos de densidad energética y, por tanto, de autonomía, sensible a las bajas temperaturas.
La movilidad eléctrica es como los PC de los años 90 (o, para los más jóvenes, como el iPhone de Apple de 2007): Nada más desembalarlos, ya estaban obsoletos. Una innovación seguía a la siguiente con aplicaciones y apps siempre nuevas. Luego, sin embargo, el incremento de nuevas funciones disminuyó de generación en generación de smartphones.
En electromovilidad, aún estamos al principio del ciclo de innovación, sobre todo en lo que respecta a la tecnología de las baterías, tan importante para la autonomía y los costes.
Consejo práctico: compra un coche eléctrico sí, pero alquílalo para que la devolución esté asegurada al cabo de 3 o 4 años.
Otro año atípico lleno de desafíos pandémicos especiales está llegando a su fin. En los primeros meses del año y ahora a finales, la corona vuelve a marcar el ritmo. Muchas conversaciones, visitas y eventos ya no son posibles por la seguridad de todos nosotros.
Al entrar en el vigésimo año de mi columna PLUS, me gustaría agradecerles sus sugerencias, sus comentarios y la buena colaboración. Mi agradecimiento se une a mis mejores deseos de un Adviento y unas Navidades en paz. Espero volver a verles en persona en el nuevo año.
Atentamente
Hans-Joachim Friedrichkeit
