En 2019, John B. Goodenough, se convirtió en el ganador del premio Nobel de Química con mayor edad al momento de recibirlo: 97 años. Él, junto con M. Stanley Whittingham y Akira Yoshino, recibieron el Nobel de Química por sus contribuciones al desarrollo de las baterías de litio.
El litio es un elemento químico que posee 3 electrones: uno solitario en su capa más externa y dos en la capa interior. Ese electrón «solitario» es el que hace al litio sumamente reactivo: el electrón busca «fugarse» a la menor oportunidad para formar parte de otro átomo u elemento (por eso el litio se almacena en aceite para evitar su reacción con el aire, por ejemplo). Cuando eso sucede, el átomo de litio ahora es un ion de litio que resulta más estable.
En los años 70’s, Stanley Whittingham aprovechó la reactividad del litio para deshacerse de ese electrón en la capa exterior para crear la primera natería de litio funcional. Luego, en 1980, John Goodenough logró desarrollar una batería de litio con el doble de potencial. Cinco años después, Akira Yoshino crearía baterías pero de iones litio, haciéndolas más seguras y prácticas para su uso en laptops, teléfonos celulares y autos eléctricos.
El desarrollo de baterías «poderosas» que permitan suplir poco a poco nuestra dependencia del petróleo es un tema no sólo medioambiental sino geopolítico: el país que tiene reservas naturales de litio es objeto de codicia para muchas empresas o países. Los «centros» de poder político podrían moverse hacia aquellos países que poseen los recursos que tienen el potencial de moldear el terreno energético.
El reto de migrar completamente a tecnologías energéticas más amables con el medio ambiente no será fácil y tomará tiempo. Básicamente, resulta difícil hallar un combustible o batería con una densidad energética que rivalice con el de la gasolina, por ejemplo.
En 2013, la Administración de Información Energética de los Estados Unidos (EIA, por sus siglás en inglés) mostró una gráfica donde se comparan diversos combustibles para el transporte dependiendo de su densidad energética por masa y volumen, siendo la gasolina el combustible «estándar» o de comparación. Desde este punto de vista, lo ideal sería contar con combustibles ubicados en la esquina superior derecha: mayor energía en un menor espacio. En aquel entonces, algunas baterías se hallaban en la esquina opuesta: poca densidad energética y mayor espacio de almacenamiento.
Y esto es algo que algunas de las grandes petroleras visualizaron hace casi medio siglo. Por ejemplo, desde los 70’s, Exxon comenzó a pensar en diversificar su cartera de energéticos, así que contrató a varios científicos para que idearan nuevas formas de obtener/almacenar energía. Uno de estos científicos era Stanley Whittingham quien, junto con otros colaboradores, comenzaron a «jugar» con materiales superconductores, como el disulfuro de tantalio. Stanley y su grupo descubrieron que los iones de potasio, al interactuar con el disulfuro, aumentaban la densidad energética, llegando a medir algunos volts de potencia, lo cual hacía a éste material una batería competitiva para los estándares de aquellos años. El grupo de Stanley se dio cuenta del potencial para el mercado energético y continuaron experimentando con otros metales, y al final sustituyeron al tantalio por el titanio, el cual es más ligero y con propiedades similares.
Hasta este momento, Stanley Whittingham contaba con el cátodo de la batería (la parte positiva compuesta por el disulfuro de titanio), es decir, hacia donde «viajan» los electrones. Ahora necesitaba un elemento químico muy propenso a «donar» electrones (el ánodo de la batería). En este sentido, el litio es una muy buena opción.
Stanley llevó esta idea de batería recargable a los laboratorios de Exxon y comenzaron a trabajar en los prototipos. Pero las cosas no fueron muy bien. Los investigadores se dieron cuenta que con cada ciclo de carga, el litio formaba dendritas que podían llegar hasta el cátodo (el lado positivo de la batería), ocasionando cortocircuitos que causaban incendios o explosiones en el peor de los casos. Una batería con ese potencial de daño al consumidor nunca llegaría a los anaqueles de las tiendas.
El grupo de Stanley continuó perfeccionando la batería hasta que solucionaron el problema de las dentritas añadiendo aluminio al electrodo de litio y cambiaron el tipo de electrolito en la batería. Para ese entonces, finales de los 70’s e inicios de los 80’s, vino una caída en los precios del petróleo (menos ganancias), y Exxon descontinuó la investigación para ahorrar algunos dólares. Sin embargo, la tecnología desarrollada logró licenciarse a tres compañías en distintas partes del mundo.
Consciente de la investigación de Stanley Whittingham en Exxon, John Goodenough apuntó por una mejora al prototipo ya desarrollado usando óxido de cobalto en la parte positiva en lugar de disulfuro de titanio. El resultado es que logró obtener una batería hasta con una potencia de hasta 4 Volts (recordemos que las baterías AA son de 1.5 Volts). Nada mal.
Mientras tanto, las compañías electrónicas en Japón estaban más interesados en miniaturizar artículos electrónicos como teléfonos, televisores, cámaras de video, reproductores de MP3, etc. Una de estas compañías, Asahi Kasei, contaba entre sus miembros a Akira Yoshino. Él conocía algunos intentos de usar grafito (como el de los lápices) y litio en el ánodo (parte negativa de la batería), pero esta mezcla de materiales resultaba muy frágil en la operación. Sin embargo, Akira decidió probar con coque del petróleo. Cargando eléctricamente el coque de petróleo descubrió que los iones de litio eran atraídos por él y, cuando ponía en operación la batería, estos iones litio y los electrones fluían hasta el cátodo hecho de óxido de cobalto, logrando igualar la potencia del diseño de John Goodenough.
Para 1991, las baterías de iones litio comenzaron a venderse, lo cual condujo a una revolución en el mercado de los dispositivos electrónicos. Por ello, no es de extrañar que las grandes compañías tecnológicas y los países desarrollados estén buscando garantizar su cadena de suministro del llamado «oro blanco»: el litio. Pueden consultar más detalles sobre el desarrollo de las baterías de ion litio aquí.
Esta semana, a propósito del litio, ¿hay alternativas por si el Estado Mexicano no logra hacer rentable la explotación del litio?
Este artículo se publicó originalmente en el portal de Cadena Política el 27 de abril de 2022.
MAS ALLÁ DEL LITIO
El litio, si bien es uno de los primeros elementos químicos en la tabla periódica, no es el más abundante en la corteza terrestre. En los últimos años su abundancia parece haberse trasladado a las noticias tanto nacionales como internacionales. Y la semana pasada no fue la excepción tras la reforma a la Ley Minera aquí en México, la cual se interpretó como una “renacionalización” del litio en el golpeteo político, toda vez que el Artículo 27 de la Constitución Política de los Estados Unidos Mexicanos contempla en un párrafo reformado en 1960 que:
Corresponde a la Nación el dominio directo de todos los recursos naturales de la plataforma continental y los zócalos submarinos de las islas; de todos los minerales o substancias que en vetas, mantos, masas o yacimientos, constituyan depósitos cuya naturaleza sea distinta de los componentes de los terrenos, tales como los minerales de los que se extraigan metales y metaloides utilizados en la industria; los yacimientos de piedras preciosas, de sal de gema y las salinas formadas directamente por las aguas marinas; los productos derivados de la descomposición de las rocas, cuando su explotación necesite trabajos subterráneos; los yacimientos minerales u orgánicos de materias susceptibles de ser utilizadas como fertilizantes; los combustibles minerales sólidos; el petróleo y todos los carburos de hidrógeno sólidos, líquidos o gaseosos; y el espacio situado sobre el territorio nacional, en la extensión y términos que fije el Derecho Internacional.
En las reformas y adiciones a la Ley Minera del pasado 20 de abril, el Artículo 5 Bis establece:
Se declara de utilidad pública el litio, por lo que no se otorgarán concesiones, licencias, contratos, permisos o autorizaciones en la materia. Serán consideradas zonas de reserva minera aquéllas en que haya yacimientos de litio.
Se reconoce que el litio es patrimonio de la Nación y su exploración, explotación, beneficio y aprovechamiento se reserva en favor del pueblo de México.
Las cadenas de valor económico del litio se administrarán y controlarán por el Estado a través del organismo público señalado en el artículo 10 de esta Ley.
El Servicio Geológico Mexicano auxiliará al organismo público descentralizado encargado de la exploración, explotación, beneficio y aprovechamiento del litio en la ubicación y reconocimiento de las áreas geológicas en las que existan reservas probables del litio.
En la exploración, explotación, beneficio y aprovechamiento del litio y de sus cadenas de valor será deber del Estado mexicano proteger y garantizar la salud de los mexicanos, el medio ambiente y los derechos de los pueblos originarios, comunidades indígenas y afromexicanas.
Es cosa útil estudiar la secuencia habitual de los diferentes estratos dentro de la tierra, conocer sus emplazamientos y la índole de las inmediaciones, saber dónde podemos encontrar un mineral en cuya vecindad puede haber otro que estemos buscando…
Thomas Jefferson, presidente norteamericano (1743-1826)
Estas noticias han traído consigo un renovado interés en las cifras asociadas al litio, bautizado ya como el “oro blanco” en un intento de contraponerlo al “oro negro” (petróleo) que, dicho sea de paso, ayudó (nos guste o no) a construir el México que conocemos. El creciente mercado de los automóviles eléctricos (principalmente Estados Unidos, Europa y China) y dispositivos electrónicos que requieren el uso del litio para los componentes de sus baterías ha creado una fuerte demanda de este elemento.
El litio no se encuentra puro en la naturaleza debido a su elevada reactividad sino formando compuestos con otros minerales, y se ubica en el lugar 33 de los elementos más abundantes en la corteza terrestre. En este sentido, los países que cuentan con las mayores reservas (estimadas) de litio a nivel mundial son: Chile, Australia, Argentina, China y Estados Unidos. Sin embargo, cuando se habla del litio como recurso mineral de un país, es decir, países que cuentan con zonas geográficas con perspectivas razonables de una futura extracción viable económicamente, se tiene que Bolivia ocupa el primer lugar, Argentina el segundo y Chile el tercero; el denominado “Triángulo del litio”. En cuarto y quinto lugar se ubican Australia y China; en noveno lugar está México.
De estos países, la terna formada por Australia, Chile y China, produjeron en 2020 el 86 % de litio que circula en el mundo. Si Bolivia posee tanto litio, ¿por qué no figura en los diez primeros lugares de los países productores de litio? Quizá se deba a su política de estatizar la producción del litio, proceso que data del 2008, durante la administración de Evo Morales. La promesa fue que la economía boliviana despegaría con el “oro blanco”, lo cual, lamentablemente, no ha ocurrido. Después de invertir más de $940 millones de dólares en todos estos años, las exportaciones están muy lejos de proveer una derrama económica que permita el retorno de la inversión pagada con dinero público. La administración y producción del litio en manos del estado no está funcionando.
Por otro lado, en Argentina y Chile la producción de litio se encuentra administrada por multinacionales, las cuales invierten de su bolsa y corren con los riesgos y, en el camino, generan empleo y ganancias. Moraleja: no sólo se trata de poseer por poseer, hay que saber qué hacer con lo que se posee. No se puede aprovechar el potencial económico del litio sin contar con la tecnología y recursos humanos especializados en este tipo de minería.
En el documento “Perfil del Mercado de Litio” de la Secretaría de Economía publicado en 2018 se menciona que “En 2016, las exportaciones mexicanas de litio únicamente fueron de $658 dólares. Por su parte, las importaciones fueron del orden de las 219 toneladas, las cuales representan un monto de $1.6 millones de dólares. A través de estas variables se establece que, en 2016, la balanza comercial presentó un déficit de $1.6 millones de dólares”. El camino luce largo y empedrado para convertir a México en una potencia productora de litio. Bolivia puede ser un espejo de lo que puede suceder en México de seguir por un camino de la explotación del litio controlado enteramente por el Estado: desarrollar tecnología propia económicamente viable, así como formar recursos humanos especializados en la producción de litio, tomará más de lo que resta del sexenio. Crear reglas claras para que las empresas que cuentan con la tecnología para explotar el litio se establezcan en México, y garantizar que se cumplan estas reglas en beneficio de todos, luce menos riesgoso para el bolsillo del contribuyente que apostar su dinero en algo en lo que el Estado no posee ninguna experiencia.
Ciertamente alentaría a los empresarios que buscan oportunidades para ingresar al negocio del litio. Creemos que vamos a necesitar ayudar a la industria en este frente.
Elon Musk
Ahora bien, pensemos en algo así como un plan B. Sabemos que el litio se emplea principalmente en baterías. También sabemos que obtenerlo es algo difícil por su baja abundancia: hay que procesar mucho material para obtener un poco de litio. ¿Es posible obtener una batería, pero con elementos más abundantes y que sea económicamente viable? Un profesor de Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT, por sus siglas en inglés) parece haber llegado a un compromiso entre metales relativamente abundantes y capacidad de almacenamiento energético a un costo competitivo.
Donald Sadoway creó una batería de metal líquido, la cual consta de tres componentes: un metal líquido de baja densidad, un metal líquido de alta densidad, y sal fundida. Inició financiando la idea y la participación de un estudiante de doctorado con un fondo semilla del MIT. Tras mostrar los primeros resultados prometedores, el sector privado y el gobierno federal comenzaron a financiar más personal hasta formar un grupo de 20 personas entre egresados, estudiantes de licenciatura y postdoctorados. Con ellos, comenzó a escalar la tecnología, probando con nuevas mezclas de elementos químicos y sales fundidas. Para acelerar el ritmo de escalamiento, decidieron crear una compañía en 2010 a la que llamaron The Liquid Metal Battery Corporation (actualmente Ambri), donde parte del dinero provenía de Bill Gates. En agosto de 2021, Ambri logró una inversión de $144 millones de dólares por parte de una empresa de energía solar para comenzar a construir instalaciones en Estados Unidos y otras partes del mundo para comenzar a competir en el mercado del almacenamiento de energía. Poco a poco, van consolidando su presencia en el sector de baterías.
El desarrollo del profesor Sadoway corresponde al campo de la electroquímica. En México contamos con un Centro de Investigación y Desarrollo Tecnológico en Electroquímica (CIDETEQ). Pero ¿se tiene la capacidad de desarrollar este tipo de baterías de metal líquido? Contacté a uno de los investigadores del CIDETEQ, y me comparte que “están trabajando la definición de diferentes composiciones para el desarrollo de baterías de metal líquido de bajo punto de fusión y de alta eficiencia”. El conocimiento y el recurso humano ya está en el CIDETEQ, falta que se involucre también el sector privado e invierta para que las investigaciones continúen. Si Ud. es un empresario con visión de futuro, la prueba de concepto ya se probó (ahí está Ambri), así que los riesgos son menores; su inversión podría catalizar un desarrollo tecnológico con un enorme potencial económico: el almacenamiento de energía que no depende por completo del litio.
¿Te gustó lo que has leído? Puedes ayudarme de tres formas a que continúe escribiendo: donando aquí ( https://www.buymeacoffee.com/rinconcaptnemo), dejando tus comentarios, ideas o aportes. O bien, con algunos libros (échale un ojo a mi lista, no importan que sean usados ). Créeme, cualquiera de ellas, significará el mundo para mí. ¡Gracias por leer!
El rincón del Capitán Nemo 
Un comentario en “Más allá del litio”