Gracias por visitar nature.com.Está utilizando una versión de navegador con soporte limitado para CSS.Para obtener la mejor experiencia, le recomendamos que utilice un navegador más actualizado (o desactive el modo de compatibilidad en Internet Explorer).Mientras tanto, para garantizar un soporte continuo, mostramos el sitio sin estilos ni JavaScript.También puede buscar este autor en PubMed Google ScholarLas baterías para un automóvil eléctrico se ensamblan en la planta de producción de Audi en Bruselas.Crédito: Audi AGTiene acceso completo a este artículo a través de su institución.La era del coche eléctrico está sobre nosotros.A principios de este año, el gigante automovilístico estadounidense General Motors anunció que tiene como objetivo dejar de vender modelos diésel y de gasolina para 2035. Audi, con sede en Alemania, planea dejar de producir dichos vehículos para 2033. Muchas otras multinacionales automotrices han publicado hojas de ruta similares. .De repente, la demora de los principales fabricantes de automóviles en electrificar sus flotas se está convirtiendo en una carrera por la salida.La electrificación de la movilidad personal está cobrando velocidad de una manera que ni siquiera sus más fervientes defensores habrían soñado hace tan solo unos años.En muchos países, los mandatos gubernamentales acelerarán el cambio.Pero incluso sin nuevas políticas o regulaciones, la mitad de las ventas globales de vehículos de pasajeros en 2035 serán eléctricas, según la consultora BloombergNEF (BNEF) en Londres.Esta conversión industrial masiva marca un “cambio de un sistema energético intensivo en combustible a uno intensivo en materiales”, declaró la Agencia Internacional de Energía (AIE) el 1 de mayo.En las próximas décadas, cientos de millones de vehículos saldrán a las carreteras, con enormes baterías en su interior (ver 'Pasar a la electricidad').Y cada una de esas baterías contendrá decenas de kilogramos de materiales que aún no se han extraído.Anticipándose a un mundo dominado por los vehículos eléctricos, los científicos de materiales están trabajando en dos grandes desafíos.Uno es cómo reducir los metales en las baterías que son escasas, costosas o problemáticas porque su extracción conlleva severos costos ambientales y sociales.Otra es mejorar el reciclaje de baterías, de modo que los metales valiosos de las baterías de automóviles usadas puedan reutilizarse de manera eficiente.“El reciclaje desempeñará un papel clave en la combinación”, dice Kwasi Ampofo, ingeniero de minas y analista principal de metales y minería en BNEF.Los fabricantes de baterías y automóviles ya están gastando miles de millones de dólares en reducir los costos de fabricación y reciclaje de baterías de vehículos eléctricos (EV), impulsados ​​en parte por los incentivos gubernamentales y la expectativa de las próximas regulaciones.Los financiadores de la investigación nacional también han fundado centros para estudiar mejores formas de fabricar y reciclar baterías.Debido a que, en la mayoría de los casos, sigue siendo menos costoso extraer metales que reciclarlos, un objetivo clave es desarrollar procesos para recuperar metales valiosos a un precio lo suficientemente económico como para competir con los recién extraídos.“Lo que más habla es el dinero”, dice Jeffrey Spangenberger, ingeniero químico del Laboratorio Nacional Argonne en Lemont, Illinois, que administra una iniciativa de reciclaje de baterías de iones de litio financiada con fondos federales de EE. UU., llamada ReCell.El primer desafío para los investigadores es reducir la cantidad de metales que deben extraerse para las baterías EV.Las cantidades varían según el tipo de batería y el modelo del vehículo, pero una sola batería de iones de litio para automóvil (del tipo conocido como NMC532) podría contener alrededor de 8 kg de litio, 35 kg de níquel, 20 kg de manganeso y 14 kg de cobalto, según cifras del Laboratorio Nacional de Argonne.Los analistas no anticipan un alejamiento de las baterías de iones de litio en el corto plazo: su costo se ha desplomado tan dramáticamente que es probable que sean la tecnología dominante en el futuro previsible.Ahora son 30 veces más baratas que cuando ingresaron por primera vez al mercado como baterías pequeñas y portátiles a principios de la década de 1990, aunque su rendimiento ha mejorado.BNEF proyecta que el costo de un paquete de baterías EV de iones de litio caerá por debajo de los 100 dólares estadounidenses por kilovatio-hora para 2023, o aproximadamente un 20 % menos que en la actualidad (ver 'Costos de las baterías en picada').Como resultado, los coches eléctricos, que siguen siendo más caros que los convencionales, deberían alcanzar la paridad de precios a mediados de la década de 2020.(Según algunas estimaciones, los automóviles eléctricos ya son más baratos que los vehículos de gasolina durante su vida útil, gracias a que son menos costosos de alimentar y mantener).Fuente: MS Ziegler y JE Trancik Energy Environ.cienciahttps://doi.org/grhx (2021).Para producir electricidad, las baterías de iones de litio transportan iones de litio internamente desde una capa, llamada ánodo, a otra, el cátodo.Los dos están separados por otra capa, el electrolito.Los cátodos son el principal factor limitante en el rendimiento de la batería, y es donde se encuentran los metales más valiosos.El cátodo de una celda de batería de iones de litio típica es una capa delgada de sustancia viscosa que contiene cristales de microescala, que a menudo tienen una estructura similar a los minerales que se encuentran naturalmente en la corteza o el manto de la Tierra, como las olivinas o las espinelas.Los cristales combinan oxígeno cargado negativamente con litio cargado positivamente y varios otros metales; en la mayoría de los autos eléctricos, una mezcla de níquel, manganeso y cobalto.Recargar una batería arranca los iones de litio de estos cristales de óxido y los lleva a un ánodo basado en grafito donde se almacenan, intercalados entre capas de átomos de carbono (ver 'Corazón eléctrico').Fuente: Adaptado de G. Harper et al.Nature 575, 75–86 (2019) y G. Offer et al.Naturaleza 582, 485–487 (2020).El litio en sí no es escaso.Un informe de junio de BNEF2 estimó que las reservas actuales del metal (21 millones de toneladas, según el Servicio Geológico de EE. UU.) son suficientes para llevar la conversión a vehículos eléctricos hasta mediados de siglo.Y las reservas son un concepto maleable, porque representan la cantidad de un recurso que se puede extraer económicamente a los precios actuales y con la tecnología y los requisitos reglamentarios actuales.Para la mayoría de los materiales, si la demanda aumenta, las reservas eventualmente también lo hacen.A medida que los automóviles se electrifican, el desafío radica en aumentar la producción de litio para satisfacer la demanda, dice Ampofo.“Va a crecer unas siete veces entre 2020 y 2030”.Esto podría resultar en una escasez temporal y cambios drásticos en los precios, dice.Pero los contratiempos del mercado no cambiarán el panorama a largo plazo.“A medida que se construya más capacidad de procesamiento, es probable que esta escasez se resuelva sola”, dice Haresh Kamath, especialista en almacenamiento de energía en el Instituto de Investigación de Energía Eléctrica en Palo Alto, California.Depósitos de sal en una instalación de producción de litio en el salar de Uyuni en Potosí, Bolivia.Crédito: Carlos Becerra/Bloomberg/GettyEl aumento de la extracción de litio conlleva sus propias preocupaciones ambientales: las formas actuales de extracción requieren grandes cantidades de energía (para el litio extraído de la roca) o agua (para la extracción de salmueras).Pero las técnicas más modernas que extraen litio del agua geotérmica, utilizando energía geotérmica para impulsar el proceso, se consideran más benignas.Y a pesar de este costo ambiental, la extracción de litio ayudará a desplazar la extracción destructiva de combustibles fósiles.Los investigadores están más preocupados por el cobalto, que es el ingrediente más valioso de las baterías EV actuales.Dos tercios del suministro mundial se extraen en la República Democrática del Congo.Los activistas de derechos humanos han expresado su preocupación por las condiciones allí, en particular por el trabajo infantil y los daños a la salud de los trabajadores;Al igual que otros metales pesados, el cobalto es tóxico si no se manipula adecuadamente.Se podrían explotar fuentes alternativas, como los 'nódulos' ricos en metales que se encuentran en el fondo del mar, pero presentan sus propios peligros ambientales.Y el níquel, otro componente importante de las baterías de vehículos eléctricos, también podría sufrir escasez3.Para abordar los problemas con las materias primas, varios laboratorios han estado experimentando con cátodos con bajo contenido de cobalto o sin cobalto.Pero los materiales del cátodo deben diseñarse cuidadosamente para que sus estructuras cristalinas no se rompan, incluso si se elimina más de la mitad de los iones de litio durante la carga.Y abandonar el cobalto por completo a menudo reduce la densidad de energía de una batería, dice el científico de materiales Arumugam Manthiram de la Universidad de Texas en Austin, porque altera la estructura cristalina del cátodo y la fuerza con la que puede unirse al litio.Manthiram se encuentra entre los investigadores que han resuelto ese problema, al menos en el laboratorio, al demostrar que el cobalto se puede eliminar de los cátodos sin comprometer el rendimiento4.“El material libre de cobalto que informamos tiene la misma estructura cristalina que el óxido de cobalto y litio y, por lo tanto, la misma densidad de energía”, o incluso mejor, dice Manthiram.Su equipo hizo esto ajustando la forma en que se producen los cátodos y agregando pequeñas cantidades de otros metales, mientras conserva la estructura cristalina de óxido de cobalto del cátodo.Manthiram dice que debería ser sencillo adoptar este proceso en las fábricas existentes y ha fundado una nueva empresa llamada TexPower para tratar de lanzarlo al mercado en los próximos dos años.Otros laboratorios de todo el mundo están trabajando en baterías sin cobalto: en particular, el fabricante pionero de vehículos eléctricos Tesla, con sede en Palo Alto, California, ha dicho que planea eliminar el metal de sus baterías en los próximos años.Sun Yang-Kook de la Universidad de Hanyang en Seúl, Corea del Sur, es otro científico de materiales que ha logrado un rendimiento similar en cátodos sin cobalto.Sun dice que podrían persistir algunos problemas técnicos en la creación de los nuevos cátodos, porque el proceso se basa en la refinación de minerales ricos en níquel, que pueden requerir costosas atmósferas de oxígeno puro.Pero muchos investigadores ahora consideran que el problema del cobalto está esencialmente resuelto.Manthiram y Sun “han demostrado que se pueden fabricar materiales realmente buenos sin cobalto y [que] funcionan muy bien”, dice Jeff Dahn, químico de la Universidad de Dalhousie en Halifax, Canadá.Trabajadores extraen cobalto cerca de una mina entre Lubumbashi y Kolwezi, en la República Democrática del Congo.Crédito: Federico Scoppa/AFP/GettyEl níquel, aunque no es tan caro como el cobalto, tampoco es barato.Los investigadores también quieren eliminarlo.“Hemos abordado la escasez de cobalto, pero debido a que estamos aumentando tan rápidamente, nos dirigimos directamente a un problema de níquel”, dice Gerbrand Ceder, científico de materiales del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en Berkeley, California.Pero eliminar tanto el cobalto como el níquel requerirá cambiar a estructuras cristalinas radicalmente diferentes para los materiales del cátodo.Un enfoque es adoptar materiales llamados sales de roca desordenadas.Reciben su nombre debido a su estructura cristalina cúbica, que es similar a la del cloruro de sodio, con el oxígeno jugando el papel del cloro y una mezcla de metales pesados ​​reemplazando al sodio.Durante la última década, el equipo de Ceder y otros grupos han demostrado que ciertas sales de roca ricas en litio permiten que el litio entre y salga fácilmente, una propiedad crucial para permitir la carga repetida5.Pero, a diferencia de los materiales de cátodo convencionales, las sales de roca desordenadas no requieren cobalto o níquel para permanecer estables durante ese proceso.En particular, se pueden hacer con manganeso, que es barato y abundante, dice Ceder.Si las baterías se van a fabricar sin cobalto, los investigadores se enfrentarán a una consecuencia no deseada.El metal es el principal factor que hace que el reciclaje de baterías sea económico, porque otros materiales, especialmente el litio, son actualmente más baratos de extraer que de reciclar.En una planta de reciclaje típica, primero se trituran las baterías, lo que convierte las celdas en una mezcla en polvo de todos los materiales utilizados.Luego, esa mezcla se descompone en sus componentes elementales, ya sea licuándola en una fundición (pirometalurgia) o disolviéndola en ácido (hidrometalurgia).Finalmente, los metales se precipitan de la solución como sales.Una trituradora mecánica tritura módulos de batería, aquí se muestra en la planta de reciclaje de Duesenfeld en Alemania.Crédito: Wolfram Schroll/DuesenfeldLos esfuerzos de investigación se han centrado en mejorar el proceso para hacer que el litio reciclado sea económicamente atractivo.La gran mayoría de las baterías de iones de litio se fabrican en China, Japón y Corea del Sur;en consecuencia, las capacidades de reciclaje están creciendo más rápido allí.Por ejemplo, Guangdong Brunp, con sede en Foshan, una subsidiaria de CATL, el mayor fabricante de celdas de iones de litio de China, puede reciclar 120,000 toneladas de baterías por año, según un portavoz.Eso es el equivalente a lo que se usaría en más de 200.000 automóviles, y la empresa puede recuperar la mayor parte del litio, el cobalto y el níquel.Las políticas gubernamentales están ayudando a fomentar esto: China ya tiene incentivos financieros y regulatorios para las empresas de baterías que obtienen materiales de empresas de reciclaje en lugar de importar materiales recién extraídos, dice Hans Eric Melin, director gerente de Circular Energy Storage, una empresa de consultoría en Londres.La Comisión Europea ha propuesto requisitos estrictos de reciclaje de baterías que podrían implementarse gradualmente a partir de 2023, aunque las perspectivas de que el bloque desarrolle una industria de reciclaje nacional son inciertas6.Mientras tanto, la administración del presidente de EE. UU., Joe Biden, quiere gastar miles de millones de dólares para fomentar una industria nacional de fabricación de baterías para vehículos eléctricos y apoyar el reciclaje, pero aún no ha propuesto regulaciones más allá de la legislación existente que clasifica las baterías como desechos peligrosos que deben eliminarse de manera segura. .Algunas empresas emergentes de América del Norte dicen que ya pueden recuperar la mayoría de los metales de una batería, incluido el litio, a costos que son competitivos con los de extraerlos, aunque los analistas dicen que, en esta etapa, la economía general solo es ventajosa debido a el cobaltoEl polvo de batería molido, o 'masa negra', se limpia de las placas en las instalaciones de reciclaje de baterías de Li-Cycle en Kingston, Ontario, Canadá.Crédito: Christinne Muschi/Bloomberg/GettyUn enfoque más radical es reutilizar los cristales del cátodo, en lugar de romper su estructura, como lo hacen la hidrometalurgia y la pirometalurgia.ReCell, la colaboración de US$15 millones administrada por Spangenberger, incluye tres laboratorios nacionales, tres universidades y numerosos actores de la industria.Está desarrollando técnicas que permitirán a los recicladores extraer los cristales del cátodo y revenderlos.Un paso crucial, después de triturar las baterías, es separar los materiales del cátodo del resto usando calor, productos químicos u otros métodos.“La razón por la que estamos tan entusiasmados con la idea de conservar la estructura cristalina es que se necesitó mucha energía y conocimientos para ensamblarla.Ahí es donde reside gran parte del valor”, dice Linda Gaines, química física de Argonne y analista principal de ReCell.Estas técnicas de reprocesamiento funcionan con una variedad de estructuras y composiciones cristalinas, dice Gaines.Pero si un centro de reciclaje recibe un flujo de desechos que incluye muchos tipos de baterías, varios tipos de material de cátodo terminarán en el caldero de reciclaje.Esto podría complicar los esfuerzos para separar los diferentes tipos de cristales de cátodo.Aunque los procesos desarrollados por ReCell pueden separar fácilmente el níquel, el manganeso y el cobalto de otros tipos de celdas, como las que usan fosfato de hierro y litio, por ejemplo, tendrán dificultades para separar dos tipos que contienen cobalto y níquel, pero en diferentes dimensiones.Por esta y otras razones, será crucial que las baterías lleven algún tipo de código de barras estandarizado que les diga a los recicladores qué hay dentro, dice Spangenberger.Un trabajador de la empresa de automóviles Renault se prepara para desmantelar una batería.La firma dice que está reciclando todas las baterías de sus vehículos eléctricos; por el momento, solo un par de cientos al año.Crédito: Olivier Guerrin, Photothèque VeoliaOtro obstáculo potencial es que la química de los cátodos está en constante evolución.Los cátodos que los fabricantes utilizarán dentro de 10 a 15 años, al final del ciclo de vida de los automóviles actuales, podrían ser muy diferentes a los actuales.La forma más eficiente de sacar los materiales podría ser que el fabricante recolecte sus propias baterías al final del ciclo de vida.Y las baterías deben diseñarse desde cero de una manera que las haga más fáciles de desarmar, agrega Gaines.El científico de materiales Andrew Abbott de la Universidad de Leicester, Reino Unido, argumenta que el reciclaje será mucho más rentable si se salta la etapa de trituración y se separan las células directamente.Él y sus colaboradores han desarrollado una técnica para separar los materiales del cátodo mediante ultrasonidos7.Esto funciona mejor en celdas de batería que están empacadas planas en lugar de enrolladas (como lo son las celdas 'cilíndricas' comunes) y, agrega Abbott, puede hacer que los materiales reciclados sean mucho más baratos que los metales extraídos vírgenes.Está involucrado en un plan de investigación del gobierno del Reino Unido sobre la sostenibilidad de las baterías de 14 millones de libras esterlinas (19 millones de dólares estadounidenses), llamado ReLiB.Cualesquiera que sean los procesos de reciclaje que se conviertan en estándar, la escala ayudará.Aunque los informes de los medios tienden a describir el diluvio que se avecina de baterías gastadas como una crisis inminente, los analistas lo ven como una gran oportunidad, dice Melin.Una vez que millones de baterías grandes comiencen a llegar al final de su vida útil, las economías de escala se activarán y harán que el reciclaje sea más eficiente y el caso comercial para ello más atractivo.Una tubería de producción de automóviles eléctricos en la fábrica de Nio en Hefei, China.Crédito: Qilai Shen/Bloomberg/GettyLos analistas dicen que el ejemplo de las baterías de plomo-ácido, las que encienden los automóviles que funcionan con gasolina, da motivos para el optimismo.Debido a que el plomo es tóxico, esas baterías se clasifican como desechos peligrosos y deben eliminarse de manera segura.Pero se ha desarrollado una industria eficiente para reciclarlos, a pesar de que el plomo es barato.“Más del 98 % de las baterías de plomo-ácido se recuperan y reciclan”, dice Kamath.“El valor de una batería de plomo-ácido es incluso menor que el de una batería de iones de litio.Pero debido al volumen, tiene sentido reciclar de todos modos”, dice Melin.Puede pasar un tiempo hasta que el mercado de las baterías de iones de litio alcance su tamaño completo, en parte porque estas baterías se han vuelto excepcionalmente duraderas: las baterías de automóviles actuales pueden durar hasta 20 años, dice Kamath.En un automóvil eléctrico típico que se vende hoy en día, el paquete de baterías durará más que el vehículo en el que se integró, dice Melin.Eso significa que cuando los vehículos eléctricos viejos se envían a la chatarra, las baterías a menudo no se desechan ni se reciclan.En su lugar, se extraen y se reutilizan para aplicaciones menos exigentes, como el almacenamiento de energía estacionario o la propulsión de embarcaciones.Después de diez años de uso, una batería de automóvil como la del Nissan Leaf, que originalmente tenía 50 kilovatios-hora, habrá perdido como máximo el 20% de su capacidad.Otro informe de mayo de la IEA, una organización conocida por sus pronósticos históricamente cautelosos, incluyó una hoja de ruta8 para lograr emisiones netas cero globales para mediados de siglo, que incluye la conversión al transporte eléctrico como piedra angular.La confianza de que esto se puede lograr refleja un consenso cada vez mayor entre los legisladores, investigadores y fabricantes de que los desafíos para electrificar los automóviles ahora se pueden resolver por completo, y que si queremos tener alguna esperanza de mantener el cambio climático en un nivel manejable, no hay tiempo que perder. .Pero algunos investigadores se quejan de que los vehículos eléctricos parecen estar sujetos a un estándar imposible en términos del impacto ambiental de sus baterías.“Sería desafortunado y contraproducente descartar una buena solución insistiendo en una solución perfecta”, dice Kamath.“Eso no significa, por supuesto, que no debamos trabajar agresivamente en la cuestión de la eliminación de baterías”.doi: https://doi.org/10.1038/d41586-021-02222-1Agencia Internacional de Energía.El papel de los minerales críticos en las transiciones de energía limpia (IEA, 2021);disponible en https://www.iea.org/reports/the-role-of-critical-minerals-in-clean-energy-transitionsBloombergNEF.Perspectivas del vehículo eléctrico 2021 (BNEF, 2021);disponible en https://about.bnef.com/electric-vehicle-outlookBaars, J., Domenech, T., Bleischwitz, R., Melin, HE y Heidrich, O. Nature Sustain.4, 71–79 (2021).Li, W., Lee, S. y Manthiram, A. Adv.Mate.32, 2002718 (2020).Yang, JH, Kim, H. y Ceder, G. Molecules 26, 3173 (2021).Melín, HE et al.Ciencia 373, 384–387 (2021).Lei, C. et al.química verde.23, 4710–4715 (2021).Agencia Internacional de Energía.Net Zero para 2050: una hoja de ruta para el sector energético mundial (IEA, 2021);disponible en https://www.iea.org/reports/net-zero-by-2050Centro de Investigación Jülich (FZJ)Tiene acceso completo a este artículo a través de su institución.Un resumen esencial de noticias científicas, opiniones y análisis, entregado en su bandeja de entrada todos los días de la semana.Regístrese para recibir el boletín informativo Nature Briefing: lo que importa en ciencia, gratis en su bandeja de entrada todos los días.Naturaleza (Nature) ISSN 1476-4687 (en línea) ISSN 0028-0836 (impreso)