Analizamos la compleja cadena de suministro de baterías para vehículos eléctricos

La expansión global del uso de vehículos eléctricos (vehículos eléctricos) depende de una compleja cadena de suministro de baterías de iones de litio (Li-ion) en constante evolución, que incluye la extracción de minerales en bruto, la fabricación de componentes de las baterías y el ensamblaje de las celdas. Cada etapa de este complejo proceso presenta sus propios desafíos y oportunidades. 

Un desafío clave de la cadena de suministro es garantizar una disponibilidad suficiente de minerales para dar respuesta a la creciente demanda de vehículos eléctricos y los requisitos cambiantes de las baterías. A principios del siglo XXI, los vehículos eléctricos eran muy compactos, lo que ayudaba a maximizar el alcance limitado que podían ofrecer la mayoría de los paquetes de baterías de iones de litio de esa época. Por ejemplo, el Chevrolet Spark EV 2016 tenía apenas 3,7 metros (147 pulgadas) de longitud y ofrecía una autonomía de 132 kilómetros (82 millas). No obstante, en la última década han aumentado las expectativas en cuanto al tamaño, la autonomía y el rendimiento de los vehículos, por lo que es necesario disponer de paquetes de baterías más grandes, con combinaciones minerales optimizadas y un mayor número de celdas por vehículo.

Asimismo, la industria debe hacer frente al reto de desarrollar métodos de reciclaje sostenibles, ya que los primeros vehículos eléctricos y sus baterías de iones de litio se aproximan al final de su vida útil. Estas iniciativas son fundamentales para minimizar los residuos y reducir la presión sobre los recursos vírgenes y los ecosistemas de donde se extraen.

El uso a nivel mundial de vehículos eléctricos ha aumentado drásticamente en la última década, alcanzando ventas récord de 10,5 millones de unidades en 2023, incluyendo tanto los vehículos totalmente eléctricos como los híbridos enchufables. Y no hay indicios de desaceleración: las proyecciones estiman una tasa de crecimiento anual compuesta del 32 % para los vehículos eléctricos hasta el año 2030. Estas cifras subrayan la urgente necesidad de disponer de unas cadenas de suministro de baterías robustas y sostenibles.

Como la mayoría de las baterías, las baterías de los vehículos eléctricos están compuestas por minerales de tierras raras, que contienen cantidades variables de litio, cobalto, níquel y grafito. A diferencia del combustible utilizado en vehículos con motor de combustión interna (ICE), que requiere la extracción y quema continua de combustibles fósiles, muchos de estos materiales pueden reutilizarse y reciclarse en una economía circular. 

El litio y otros minerales raros pasan por diversas etapas y procesos desde su extracción hasta su llegada a los mercados mayoristas y minoristas en forma de paquetes de baterías. Estas etapas incluyen la minería, el refinado, la fabricación de baterías, el ensamblaje y el envío. 

El precio de las baterías de litio engloba todos los pasos intermedios, lo que puede provocar que las baterías de los vehículos eléctricos de mayor tamaño sean bastante caras. Por ejemplo, en 2024, reemplazar la batería de un Tesla Model S cuesta entre 8.000 a 10.000 dólares. 

El recorrido de las baterías de los vehículos eléctricos comienza en regiones ricas en minerales, donde se extraen minerales esenciales de tierras raras. La mayoría de estos materiales se extraen como menas ricas en minerales, se refinan, se procesan, se lixivian y se purifican. 

No obstante, la extracción minera puede provocar deforestación, pérdida de hábitats y contaminación del agua, a menos que se adopten medidas responsables de protección ambiental. Además, la concentración de minerales raros en áreas limitadas genera inquietudes sobre la vulnerabilidad geopolítica y las posibles interrupciones en la cadena de suministro, lo que exige que las partes implicadas de la industria supervisen colectivamente el mercado y colaboren para anticipar y mitigar posibles impactos. 

La industria está abordando estos desafíos mediante la diversificación de fuentes de minerales, la adopción de métodos de minería más sostenibles y los avances en la capacidad de reciclaje de los minerales de las baterías.. Se espera que estas medidas disminuyan la dependencia de materiales sensibles desde un punto de vista geopolítico, preserven los ecosistemas alrededor de las minas y protejan los recursos hídricos. 

Las etapas intermedias implican transformar las materias primas en compuestos adecuados para baterías. Estos pasos incluyen el procesamiento del litio en compuestos como hidróxido, carbonato y sales, esenciales para producir recubrimientos de electrodos de batería y la capa de electrolito entre el cátodo y el ánodo de una celda de batería. 

El cátodo de una batería influye significativamente en el rendimiento de la celda. La mayoría de los cátodos de los vehículos eléctricos están formados por combinaciones de aleaciones de cobalto y níquel, si bien se están llevando a cabo experimentos para utilizar combinaciones de metales más seguras, eficientes y diversas. 

Los ánodos de iones de litio suelen consistir en una lámina de cobre recubierta de grafito, que actúa como estructura anfitriona para los iones de litio durante los procesos de carga y descarga. Este componente utiliza grafito especializado, que se muele a unos tamaños precisos y se aplica sobre una superficie de cobre. 

Estos procedimientos intermedios se realizan a gran escala, ya que la mayoría de las baterías de vehículos eléctricos contienen miles de celdas individuales. Garantizar la pureza de los materiales y la calidad de fabricación es crucial para producir baterías seguras y eficientes, lo que implica utilizar instrumentación y analizadores de procesos avanzados para monitorizar y controlar la producción. 

Una vez fabricados, los componentes se ensamblan en celdas, generalmente en forma cilíndrica, para ser utilizados en vehículos eléctricos. Posteriormente, estas celdas se ensamblan en grandes paquetes de baterías que proporcionan suficiente energía para que un vehículo recorra largas distancias. 

Disponer de baterías que puedan alimentar vehículos eléctricos durante un período prolongado de tiempo es crucial para mejorar la viabilidad de estos vehículos destinados a los mercados de consumo y comerciales. Los conductores están acostumbrados a repostar sus vehículos de motor de combustión interna en tan solo unos minutos, tras recorrer cientos de kilómetros, gracias a la extensa red de estaciones de servicio. Por el contrario, las estaciones de carga para vehículos eléctricos son escasas y están dispersas, además cargar una batería puede llevar varias horas en la mayoría de los puntos de carga. 

Para hacer frente a estos inconvenientes, es necesario continuar ampliando la infraestructura de carga, centrándose especialmente en las estaciones de carga rápida con suministro de alta potencia. Las baterías, que cada vez ofrecen una mayor capacidad y pueden almacenar más energía, contribuyen a reducir algunos problemas de viabilidad, especialmente en los mercados destinados al consumo y al sector comercial. 

Las pilas de combustible de hidrógeno son una opción tecnológica viable para reducir el tiempo de recarga de vehículos. Sin embargo, la infraestructura para suministrar hidrógeno es sumamente insuficiente en muchas áreas, por lo que, actualmente, el uso de vehículos de hidrógeno no es viables en la mayoría de los mercados. 

Las baterías de iones de litio pueden presentar riesgos debido a la gran cantidad de energía que almacenan y a los materiales y productos químicos altamente reactivos utilizados. Esto las hace propensas a la combustión si están expuestas a chispas, sufren deformaciones graves o tienen defectos de fabricación. Además, la descomposición del electrolito a base de litio puede liberar gases inflamables como etileno, metano e hidrógeno al aire. 

Si las baterías se calientan demasiado como consecuencia de un daño o una carga inadecuada, puede producirse una fuga térmica, un problema grave en las baterías de los vehículos eléctricos. Si esto ocurre, el aumento del calor vaporiza el electrolito, afectando a la carcasa de la celda y liberando gases inflamables. La sobrecarga puede provocar la formación de litio metálico dentro de la celda, lo que a su vez puede causar cortocircuitos internos y reaccionar con la humedad ambiental. Una vez esta reacción se inicia, se autoalimenta, por lo que puede que desconectar la alimentación no permita detenerla. Desafortunadamente, las fugas térmicas son difíciles de detectar hasta que se produce un incendio, lo que subraya la importancia de fabricar celdas de alta calidad.

Últimamente, el reciclaje ha cobrado una importancia crucial en la cadena de suministro de baterías de vehículos eléctricos, debido al rápido incremento de desechos provenientes de las baterías de estos vehículos al final de su vida útil. Con el aumento de uso de vehículos eléctricos, surge la necesidad urgente de disponer de métodos de reciclaje más eficientes y sostenible que permitan recuperar metales valiosos, reducir el impacto ambiental y complementar la minería en la producción de nuevas baterías para vehículos eléctricos.

Las baterías de los vehículos eléctricos pueden reciclarse de manera similar a las baterías de iones de litio más pequeñas, mediante la pirometalurgia y la hidrometalurgia. Sin embargo, su gran tamaño, peso y complejidad aumentan notablemente los desafíos que plantea la recuperación eficiente de minerales. Cada centro de reciclaje aborda esta tarea de forma diferente. Algunos optan por desmontar manualmente los paquetes de baterías de vehículos eléctricos con la ayuda de trabajadores cualificados, mientras que otros prefieren triturar las baterías enteras sumergiéndolas en un líquido inerte para limitar el oxígeno y reducir el riesgo de combustión. 

A pesar de los desafíos, la eficiencia del reciclaje de baterías de vehículos eléctricos está mejorando rápidamente gracias a innovaciones como el desmontaje robótico, que facilitan la escalabilidad de estas prácticas. El reciclaje a gran escala de baterías se está convirtiendo en un campo de investigación cada vez más relevante, ya que la cantidad de baterías que necesitarán ser recicladas en el futuro aumenta de forma proporcional con el aumento récord de vehículos eléctricos en las carreteras y la proliferación de sistemas de almacenamiento de energía basados en baterías. 

Para satisfacer la creciente demanda de baterías para vehículos eléctricos, es necesaria una cadena de suministro sólida que incluya los procesos de extracción de minerales, fabricación, ensamblaje y reciclaje. Asimismo, la industria debe asegurar un suministro continuo de componentes y materiales en regiones dispersas geográficamente para mantener una producción eficiente de baterías. 

La transición hacia la movilidad eléctrica plantea desafíos, pero es una parte fundamental de las iniciativas globales para reducir las emisiones de carbono y mitigar los gases de efecto invernadero en la atmósfera. Para abordar de manera sostenible los desafíos de la cadena de suministro de vehículos eléctricos, es esencial adoptar prácticas responsables en el abastecimiento de materias primas, reducir el impacto ambiental de la minería, garantizar un control estricto de calidad durante la fabricación y el ensamblaje, y continuar invirtiendo en tecnologías de reciclaje de baterías.