Muchos de nosotros nos preocupamos por los sulfatos en el champú y los sulfitos en el vino, pero acabo de enterarme del terrible efecto de emplear sulfatos en la producción de cátodos de batería. Aparentemente, la forma en que se han fabricado la mayoría de los cátodos de iones de litio durante 30 años da como resultado una cantidad colosal de desechos. Afortunadamente, me enteré de este problema mientras descubría una posible solución.
El cátodo es el electrodo positivo de una batería, donde se aplica la energía de carga. En la mayoría de las baterías de iones de litio actuales, están hechas de litio-níquel-manganeso-cobalto (NMC). La forma en que se han fabricado implica extraer los metales, convertirlos en sulfatos o sales metálicas, convertir el carbonato de litio en hidróxido de litio y luego transportar estos materiales al fabricante de cátodos donde se mezclan con agua. Se agrega un material cáustico como el hidróxido de sodio para precipitar un precursor en polvo que se mezcla con el hidróxido de litio y se cuece en un horno para formar granos de material de cátodo litiado. Luego se aplica un recubrimiento especial en un proceso separado.
El proceso produce al menos 1,8 veces más residuos de sulfato de sodio que material de cátodo. No es particularmente dañino para los humanos o el medio ambiente, pero hay poco mercado real para esto, por lo que termina diluido con agua y tirado o en vertederos. Esta configuración era relativamente tolerable cuando se procesaban 10 000 toneladas por año para alimentar dispositivos electrónicos personales y una pequeña flota de vehículos eléctricos; es insostenible en los volúmenes de producción de vehículos eléctricos previstos.
Un teravatio-hora de producción de baterías mediante este proceso, suficiente para 10 millones de paquetes de baterías con un promedio de 100 kWh, generará más de 2 millones de toneladas de desechos de sulfato de sodio. ¿Necesitas una imagen? Son 500 campos de fútbol americano de la NFL esparcidos un pie de profundidad en desechos. Incluso China, tolerante a la contaminación, se está quedando sin formas de deshacerse de este flujo de desechos. Para empeorar las cosas, el costo de envío y la huella ambiental de los sulfatos metálicos es cinco veces mayor que la de los polvos metálicos.
Nano One Materials Corporation propone una idea mejor, libre de sulfatos. Su proceso One-Pot Metals to Cathode Active Materials (M2CAM) mezcla metal puro, carbonato de litio y materiales de recubrimiento en un proceso químico para formar polvos litiados recubiertos una vez que se queman en un horno. Este proceso más simple y directo requiere menos energía e inversión de capital y, por lo tanto, es competitivo en costos con el proceso heredado ahora y promete socavarlo con mejoras adicionales.
Las patentes están pendientes, por lo que Nano One no deja salir a todos sus gatos de la bolsa, pero nos dice que el proceso M2CAM sin sulfato se lleva a cabo en agua (usando un 60 por ciento menos) a temperatura ambiente y presión atmosférica. La química es ambientalmente sostenible, no genera desperdicios y reduce los costos de envío de las materias primas en un factor de cuatro o cinco.
Nano One dice que puede modificar el proceso para producir varias químicas de cátodos para su uso en formatos de baterías tradicionales o de estado sólido, mediante la modificación de formulaciones, recubrimientos y parámetros de proceso. Y debido a que su proceso One-Pot recubre los materiales del cátodo a medida que se forman, los recubrimientos se aplican a cada cristal individual dentro de la partícula más grande. Esto ayuda a prevenir reacciones secundarias como picos de litio (que pueden provocar un cortocircuito en la batería), lo que mejora la durabilidad.
¿Qué pasa con la obtención de esos metales puros, te preguntarás? Dependiendo de la mina y el mineral de metal, una refinería puede cristalizar el metal mediante un proceso que involucra reacciones químicas, filtros, membranas y varios métodos electroquímicos, o puede colocarlo en placas con electricidad para lograr una pureza de grado de batería. Esto suena costoso, pero en la mayoría de los casos estamos seguros de que estos enfoques generalmente cuestan menos que producir sales metálicas, y recuerde, los polvos metálicos puros son más livianos y más baratos de enviar.
¿Cuándo podrían salir a la carretera estos cátodos «más ecológicos» sin sulfato? Nano One está trabajando con empresas y proveedores automotrices para crear demanda de sus materiales de cátodo mientras busca activamente un licenciatario potencial o un socio de producción de empresa conjunta. La compañía espera abrir una instalación de producción piloto para 2024. Por el bien de esos 500 campos de fútbol de un pie de profundidad, esperemos que pueda cumplir con ese tiempo.