Durante los últimos veinte años, las baterías de iones de litio (Li‑ion) se convirtieron en la opción principal para numerosas aplicaciones recargables que van de teléfonos inteligentes a vehículos eléctricos. Sin embargo, no todas las baterías de Li‑ion son iguales. Y, cuando se trata de una solución ecológica y menos contaminante, la batería LiFePO (LFP) se destaca y es la clara ganadora.
¿Por qué Li‑ion en comparación con otras composiciones químicas de baterías recargables, como níquel e hidruro metálico (NiMH) o el venerado plomo‑ácido? El litio, con un número atómico de 3, es el metal más liviano. Ofrece el mayor potencial electroquímico y brinda la máxima energía específica por peso, grandes ventajas para una batería. Por desgracia, el litio metálico también es inestable, inflamable y potencialmente explosivo cuando se expone al aire o agua. Entonces, los investigadores se concentraron durante años en baterías hechas de compuestos de litio más estables.
Los componentes principales de una célula de batería de Li‑ion recargable son un electrodo positivo (cátodo), un electrodo negativo (ánodo) y un electrolito. El cátodo consta de un compuesto de litio intercalado, es decir, uno con estructura con capas que permite la inclusión o inserción reversible de un ion de litio durante la carga o descarga. Hay varios compuestos de cátodos comunes con diversas características. Por lo general, el ánodo está hecho de grafito.
El electrolito líquido consta de sales de litio en un solvente orgánico, como carbonato de etileno o carbonato de dimetilo. Durante la operación, los iones de litio se mueven del ánodo al cátodo durante la descarga y en la dirección inversa durante la carga. Una batería de polímero de litio (LiPo) usa un gel de polímero como electrolito.
El ion de litio tiene una tensión de célula nominal de 3.6 V, superior al NiMH (1.5 V) y ácido‑plomo (2.0 V). Como resultado, se deben apilar menos células en serie para producir altas tensiones para aplicaciones como motores de tracción de vehículos eléctricos (EV).
LFP: la mejor opción para el planeta
Como su nombre lo indica, la batería LFP usa una composición química derivada del ion de litio y comparte muchas ventajas y desventajas con otros tipos de baterías de ion de litio. Todas las baterías de Li‑ion usan energía durante la fabricación y requieren la minería de litio y otros ingredientes clave. Sin embargo, cuando se trata de la salud del planeta, existen diferencias significativas entre ellas.
Los cátodos de uso frecuente, como el óxido de cobalto, manganeso, níquel y litio (NMC) y el óxido de cobalto de litio (LiCoO2), requieren materiales, níquel y cobalto, con limitación de suministro y costosos. Las preocupaciones en cuanto a derechos humanos continúan en torno a la minería del cobalto, como la seguridad en la mina y el uso de trabajo infantil. Los problemas ambientales asociados con la minería del níquel incluyen emisiones de gases de efecto invernadero, destrucción de hábitats y contaminación del aire, agua y suelo.
La batería LFP usa litio‑ferrofosfato (LiFePO4) como cátodo, que se combina con un ánodo hecho de grafito con un apoyo metálico. El cátodo LFP usa materiales de bajo costo y no tóxicos, hierro y fosfato, que son abundantes y de bajo costo.
Aplicaciones ecológicas para baterías LiFePO4
Las aplicaciones para baterías de Li‑ion incluyen energía de respaldo y sistemas de alimentación ininterrumpida (UPS); dispositivos para el consumidor, como teléfonos inteligentes y computadoras portátiles; vehículos eléctricos y almacenamiento de energía.
En algunas aplicaciones, por ejemplo, vehículos eléctricos, se prefiere el uso de baterías NMC debido a su mayor densidad de energía, que implica un mayor rango para determinado tamaño, un requisito clave en el entorno limitado del espacio de un EV.
En el almacenamiento de energía, la necesidad en mayor crecimiento es equilibrar la oferta y la demanda de aplicaciones de energía ecológica, como eólica o solar, que generan electricidad con mínimas emisiones de carbono.
La adopción de energía solar y eólica crece con rapidez. Según el investigador de energía ecológica BNEF, el precio de los módulos solares fotovoltaicos (PV) disminuyó en un 89 % de 2010 a 2019, y se supone que baje un 34 % más para 2030. Como resultado, hubo un gran aumento de las instalaciones solares residenciales y para servicios públicos. De forma similar, los precios de la energía eólica bajaron en un 70 % en la última década. Sin embargo, el viento no siempre sopla y el sol no siempre brilla, por lo que las instalaciones de paneles PV y eólicas dependen de sistemas de almacenamiento de energía para proporcionar una fuente constante de energía eléctrica.
La densidad de energía no es la preocupación principal de los diseñadores de sistemas de almacenamiento de energía. En cambio, se enfocan en otras cuestiones, como la degradación de baterías a largo plazo, que depende de múltiples factores, incluidos la temperatura y el estado y el perfil de carga. Otros factores importantes incluyen la necesidad de un mantenimiento periódico, dado que muchas instalaciones solares y eólicas se encuentran en lugares remotos y se dejan sin supervisión por mucho tiempo.
Las baterías LFP cuentan con varias ventajas sobre las baterías de ácido‑plomo u otras tecnologías de baterías de litio para el almacenamiento de energía. En comparación con las baterías de ácido‑plomo, estas son inherentemente estables y no combustibles, sin desgasificación, vapores y fugas. Su vida útil es hasta diez veces mayor que la de las baterías de ácido‑plomo, lo que da un costo total de propiedad (TCO) inferior.
El riesgo de incendios es otra preocupación clave, en especial, en instalaciones PV residenciales. Los incidentes con tanta publicidad, como los incendios del Boeing Dreamliner e imágenes de EV derretidos, generaron conocimiento público sobre los incendios de baterías de Li‑ion provocados por fugas térmicas. En comparación con otras composiciones químicas de baterías de Li‑ion, como NMC, la tolerancia de fuga térmica de las LFP aumentó en más de 37.78 °C (100 °F), lo que da como resultado grandes diferencias de seguridad entre las dos composiciones químicas. Una batería NMC tiene significativamente más probabilidad de incendiarse en comparación con una batería LFP. De igual modo, bajo condiciones normales de operación, una LFP mantendrá una temperatura interna más estable cuando funcione en ciclos de manera constante. Como resultado, la composición química LFP es ideal para el almacenamiento de energía solar residencial.
Facilidad de reciclaje
El desecho o reciclaje de baterías continúa siendo un problema ambiental clave. Más de 3 millones de toneladas de baterías de ácido‑plomo se descartan al año. Mientras que algunas se reciclan de forma segura para recuperar el plomo y otros materiales, muchas terminan en vertederos, en especial, en países en desarrollo. Además, las toxinas pueden provocar incendios y explosiones, así como contaminar alimentos y suministros de agua por generaciones.
La larga duración de las baterías de litio usadas para el almacenamiento de energía y transporte implican que muchas de estas baterías aún están en uso, por lo que los procesos de reciclaje están aún en sus inicios. Solo se recicló el 50 % de las 180 000 toneladas métricas de baterías de Li‑ion disponibles para reciclaje en 2019; el resto se descartó. A medida que más baterías de Li‑ion lleguen al final de su vida útil, el reciclaje será más eficiente.
Sin importar el tipo de batería, las de Li‑ion se pueden reciclar para recuperar los materiales usados en sus electrodos, cables y carcasas. Las baterías recicladas serán mucho más accesibles a medida que la industria madure. Con electrodos hechos de materiales no tóxicos, las baterías LiFePO4 representan un menor riesgo para el medioambiente que las baterías de ácido‑plomo u otras composiciones químicas de Li‑ion.
Conclusión: LFP es la opción ecológica de las baterías
La fabricación de baterías de cualquier tipo requiere energía y recursos, pero las baterías de fosfato de hierro y litio cuentan con varias ventajas sobre otras tecnologías en términos de consumo de recursos y seguridad. Tienen gran potencial para ayudar a reducir las emisiones de carbono cuando se usan en sistemas de energía eólica y solar.