El coche a pilas VIII: alternativas al litio

En el modelo de automoción propuesto por Tesla y seguido con cierta desgana por el resto de fabricantes hay un problema: no es susceptible de ser generalizado. Como tantas veces se ha repetido en este blog, el cretino de Musk no ha inventado nada, sólo ha cogido un automóvil convencional y lo ha atiborrado de baterías. No ha comprendido el cambio de paradigma que abre la propulsión eléctrica, con unas características particulares, distintas del motor térmico; y no lo ha entendido, igual que el resto de productores, porque no les conviene hacerlo. Obtienen sus beneficios de vender coches caros, cada vez más caros; y necesitan vender trastos voluminosos, aparatosos, gargantuescos que justifiquen esos precios y sus abultados márgenes.

Vamos a explicar de forma muy concisa por qué este modelo de automoción es insostenible, mucho más que el convencional basado en el motor térmico. La batería de un Tesla S pesa 453kg, de los cuales 12kg corresponden al litio que contiene (se emplean 63kg de carbonato de litio, Li2CO3, en producirla). Los datos se refieren a la antigua batería de 60 kWh del modelo 2016 y la capacidad del modelo base del nuevo Tesla 3 (ahora el Tesla S se ofrece con baterías de 75 kWh y 100 kWh, y también existe la posibilidad de montar una batería de 75Wh en el Tesla 3 Long Range).

Pues bien, el parque automotriz mundial son unos 1.100 millones de vehículos, que si fueran convertidos a eléctrico según el paradigma que propone Tesla necesitarían 13,2 millones de toneladas de litio. La cuestión es que las reservas de litio en todo el globo son de 13,5 millones de toneladas (es decir, cantidad de litio que es viable recuperar con la presente tecnología y precios de mercado), y los recursos de 39,8 millones de toneladas (todo el litio que hay en la corteza terrestre, sea tecnológica y económicamente viable su extracción o no). Pero el litio no sólo se usa para electrificar coches, sino para la medicina y otros sectores industriales, además de fabricar baterías para todo tipo de componentes electrónicos.

Si a alguien le parece insostenible depender de un recurso como el petróleo, que podría agotarse a este ritmo en 40 años, tendría que saber que al ritmo de adopción del vehículo eléctrico esperado, sólo tenemos litio para 17 años. O, puesto de otra forma: aún destruyendo completamente unos ecosistemas tan especiales, hábitat de especies únicas, como los salares (Uyuni, Atacama, del Hombre Muerto… una vista del primero en la foto de cabecera) sólo conseguiríamos la electrificación de aproximadamente una quinta parte del parque automóvil.

Amén de las emisiones y residuos provocados en el tratamiento de la salmuera o mineral para obtener el carbonato de litio en grado de batería.

Cada vez que surge una nueva moda «ecológica» y «sostenible» (pienso ahora en la salvajada de los biocombustibles) el planeta se echa a temblar. La lavandería de conciencias para burguesitos suele causar más problemas que los que resuelve.

La cuestión es que la electrificación del transporte sí es una necesidad perentoria, tanto por motivos climáticos como geopolíticos. Pero debe acometerse en beneficio de las sociedades, y no en provecho de una industria que sólo mira, como por otra parte es lógico y legítimo, por su cuenta de resultados y en último interés de sus propietarios. El modelo actual de coche eléctrico no es sostenible, pues no hay litio en el mundo para abastecerlo, así que habrá que buscar más allá.

Como batería de litio, en realidad, estamos hablando de varios tipos de tecnologías. En general, todas tienen el ánodo de grafito, pero hay diversos candidatos para el cátodo (óxidos de litio-cobalto, de litio ferrofosfato…) e incluso para el electrolito (que se procura pasar del estado líquido al semisólido de las de polímero de litio y, en un futuro, a las baterías de estado sólido, más resistentes y seguras).

En general, existe la tendencia a sustituir en la medida de lo posible el aún más caro y escaso cobalto del cátodo por otros elementos como el níquel y el manganeso (baterías NCM) o el níquel y el aluminio (NCA), pero este elemento se resiste a ser sustituido sin perder estabilidad (id est, seguridad, importante cuando vamos sentados sobre media tonelada de baterías cargadas con cientos de MJ de energía, suficiente para calcinar un elefante) y ciclabilidad (esto es, vida útil). Como ejemplo de terminología, una batería NCM 523 tendría un cátodo con 5 partes de níquel por cada 2 de cobalto y 3 de manganeso.

Si queremos, por lo tanto, suplir el litio por otro elemento más abundante y, por lo tanto, más barato, tenemos que buscar candidatos entre los que ocupan posiciones próximas en la tabla de Mendeleyev, concretamente entre los alcalinos y alcalinotérreos (químicamente de comportamiento similar) de bajo número atómico. Ahí nos encontramos al sodio y al magnesio, elementos muy abundantes en la corteza terrestre; también el berilio sería un buen candidato, pero es aún más exótico que el litio.

El sodio es la principal promesa de sustitución del litio, pero como cualquier estudiante avispado de bachillerato se daría cuenta, plantea un problema respecto al litio: está una fila por debajo y, por lo tanto, su masa atómica es mayor, lo cual a su vez determinará su mayor densidad. Vamos, que las baterías de sodio serán más pesadas para una misma capacidad, lo que equivale a decir que su densidad energética será menor. Sin más problema en el que caso que pensemos fabricar baterías estacionarias, pero un lastre en aplicaciones de automoción. ¿Cuánto más pesadas? Vamos a poner algunas cifras de densidades energéticas, para poner las cosas en relación. También es importante conocer la densidad volumétrica, es decir, la carga que almacena en función del volumen que ocupa; asunto vital en los móviles y bastante importante en la automoción, aunque para no embrollar más el asunto nos quedamos sólo con la definición másica de densidad.

Batería de plomo-ácido (las de toda la vida): 25 Wh/kg (en pocos años habrán sido arrambladas por las nuevas generaciones de baterías, como las de Na, especialmente en entornos templados).
Gasolina: 12.200 Wh/kg
Gasóleo: 13.762 Wh/kg
Hidrógeno: 39.000 Wh/kg

Comparemos estos datos con las Panasonic 18650, que son las baterías que animan a los Tesla: 254 Wh/kg.

Estas densidades energéticas habrán de ser corregidas con los rendimientos térmicos/eléctricos de cada propulsor. Así, un motor de gasolina tiene una eficiencia típìca del 30% (depende muchísimo de las condiciones), un Diesel del 36% y la recombinación de O2 y H2 en las celdas de una pila de combustible por ahí se anda. El rendimiento de descarga de una batería y trabajo de un motor eléctrico ofrecen un rendimiento conjunto de un 90% en el mejor de los casos.

Aún aplicados estos factores correctores, nos damos cuenta de la inmensa cantidad de energía contenida en los carburantes, diferencia que sólo en parte puede ser enjugada con unos propulsores eléctricos más livianos que la planta motriz de un vehículo convencional (que no es sólo el motor, sino la caja, todo el circuito de refrigeración, sistema de inyección…).

En el anterior enlace podemos leer cuál es el límite actual de baterías de litio para automoción: 350 Wh/kg anunciados por la filial de baterías de Bosch, Seeo. De hecho, en su página anuncian una JV con Samsung para alcanzar densidades de 400 Wh/kg en desarrollos conjuntos en un futuro próximo.

Mayores densidades energéticas no sólo son importantes para reducir el peso del conjunto o aumentar la autonomía, sino porque se logra la misma capacidad con menor cantidad de litio (y resto de materiales). El problema de empaquetar en láminas tan finas el ánodo, el electrolito y el cátodo es que la más pequeña alteración puede poner en contacto ambos electrodos, con consecuencias desastrosas. Por ejemplo, la formación de dentritas en los electrodos, microscópicas acumulaciones de litio en forma de agujitas que, sin embargo, pueden atravesar la lámina que separa los electrodos causando el cortocircuito. En resumen, no se puede ir mucho más allá con el litio, como comprobaron por las malas los ingenieros de Samsung con las fatídicas baterías de su modelo estrella.

¿La alternativa podría ser entonces el sodio? Para el que escribe el artículo que anteriormente os enlazaba parece una opción clara, con densidades que llegan a los 650 Wh/kg. Lamentablemente el autor, que no debió ser un buen estudiante en el instituto, no se da cuenta que el informe científico al que alude se refiere a densidades energéticas del cátodo, no del conjunto de la batería.

No, las baterías de sodio podrán ser más baratas, más estables, con mayor vida útil pero… nunca serán tan ligeras como las de litio (aunque hay algún informe que apunta a que podrían llegar a unos muy notables 200 Wh/kg, por ahora son conceptos que no han salido del laboratorio y como muy pronto llegarían en una década a las líneas de producción). E incluso el abaratamiento es relativo, si el proceso de producción es más complejo que las actuales baterías de litio o se necesitan otros elementos costosos, además del muy común sodio.

Os pongo un ejemplo ilustrativo del nivel de los periodistas teóricamente especializados, que les encanta fabricar información echando las campanas al vuelo usando los datos con el cuidado que se atusa el felpudo del recibidor. Atentos al titular: El sodio podría arrasar con las baterías de litio y abaratar costes de producción en un 80%.

Sin embargo, a renglón seguido reconocen que los materiales suponen solamente la cuarta parte del coste de fabricación de una batería. Y en una batería hay más que litio, pero aunque sólo hubiera litio y se sustituyese por otro material de coste virtualmente cero, el ahorro sería de, como máximo, un 25% (obvio). De ahí al 80%, la imaginación y la falta de comprensión lectora del redactor hacen el resto.

En realidad, hoy en día no se le puede sacar a una batería de sodio más de 90 Wh/kg, que está en la gama baja de una batería de ferrofosfato de litio, una alternativa barata y robusta a las convencionales de litio y con mucha mejor ciclabilidad. Por lo tanto, estas baterías quedan relegadas, por ahora, a aplicaciones estacionarias, en las que el peso es irrelevante y el coste determinante.

Otra alternativa al litio es el magnesio, como el sodio un elemento muy común en la naturaleza y que permitiría fabricar el santo grial de las baterías: una batería de estado sólido, mucho más compacta (que no ligera) y con alta potencia específica (capaz de admitir corrientes de carga y descarga mucho más altas). Honda tenía intención de empezar a producir una batería de magnesio, pero sobre ella nada más se supo.

Otra alternativa completamente distinta a las baterías químicas son los supercondensadores (supercaps). El concepto es el mismo que los condensadores de toda la vida que pueblan los artilugios electrónicos (generalmente de forma cilíndrica o de lenteja y dos patitas, con capacidades medidas en Faraday), dos armaduras separadas por un material dieléctrico, que se cargan con una diferencia de potencial entre ambas. En realidad, ya hablé largo y tendido de ellos en el capítulo III de esta serie, hace ya ocho años, y hasta ahora siguen en el plano de las promesas y conjeturas.

Los condensadores tienen, respecto a las baterías, grandes ventajas: son mucho más robustos, lo cual les permite cargarse y descargarse hasta cero en breve lapso de tiempo, con una ciclabilidad excelente. Como no ocurre en ellos ninguna reacción química, su capacidad es prácticamente independiente de la temperatura, a diferencia de las baterías que desfallecen en el frío y se deterioran con el calor.

Pero los condensadores tienen dos grandes inconvenientes. Uno, tienen una alta tasa de autodescarga, lo cual obligaría a cargar el coche justo antes de un viaje. Como aceptan energía como mi gaznate cerveza, no representaría mayor problema para el coche. Eso sí, a ver qué sistema eléctrico resiste que millones de personas pongan a cargar sus coches media hora antes de salir al trabajo.

Pero el principal escollo para el uso de los condensadores en automoción (más allá de aplicaciones puntuales como buffer de energía) es su elevado peso (es decir, baja densidad energética, unos pocos Wh/kg). Para incrementar la densidad energética sin sacrificar la potencia específica (la capacidad de entregar energía en la unidad de tiempo, referido a su masa) se recurre a optimizar la microestructura de las placas, exactamente la nanoestructura (camino que también siguen las baterías químicas en sus electrodos). He encontrado este interesante estudio sobre supercaps de grafeno (el material de moda) que han logrado la hazaña de ponerse al nivel de las baterías de sodio y magnesio (85 Wh/kg), lo cual es ya un salto descomunal. Incluso hay una empresa que avizora densidades de 180 Wh/kg en un futuro (no se sabe cuán remoto). Lo que no comentan es el compromiso al que tienen que llegar en términos de ciclabilidad y potencia específica.

Como resumen de todo lo anterior, tras revisar el estado actual de la investigación en almacenamiento de energía, podemos concluir que no se otean en el horizonte alternativas disruptoras que cambien el panorama y pongan a la industria patasabajo. Sólo pequeños pasitos en la optimización de las baterías de litio (que ya están cerca de su límite teórico), y el esfuerzo de crear baterías más baratas basadas en el sodio y el magnesio que permitan sortear un hipotético desabastecimiento de litio, procurando que el sucedáneo no tenga características muy inferiores.

Es decir, para desgracia de las mentes infantiles que aún no han superado la etapa del pensamiento mágico: en ciencia no existen los milagros, las restricciones físicas son tozudas.

Y ahora, antes de proponer una alternativa, quisiera que tomáseis en cuenta la siguiente prueba de autonomía de coches eléctricos.

Si os fijáis en los datos de consumo, esta vez no de combustible sino de energía eléctrica, vemos que el Hyundai Ioniq tiene un consumo de 12,2 kWh/100km mientras que el Tesla S sube a 20,6 kWh/100km (y 23,4 kWh/100km el SUV de Tesla, un trasto completamente absurdo).

Para desplazar una berlina por el recorrido de la prueba (mixto de ciudad, carretera y autopista), el modelo de la marca coreana necesitó un 41% menos de energía que el modelo propuesto por Elon Musk. El mismo itinerario, a la misma velocidad ya que todos los coches de la prueba circulaban en convoy. Por supuesto, tiene que ver que el Tesla S pesa 700 kg más que el Hyundai (que no es precisamente ligero, con tonelada y media) y que cuenta con un motor por cada eje, cada uno de ellos mucho más potente que el único del coreano. Lo cual lleva a la pregunta ¿qué sentido tiene fabricar un coche eléctrico de 400CV, si no puedes usar esa potencia más de unos breves segundos sin freír literalmente el pack de baterías? ¿Qué deportividad puede pedírsele a un mamotreto con un peso en vacío superior a mi nueva furgoneta homologada como autocaravana?

Un 41% menos de energía para realizar el mismo desempeño (transportar a cinco ocupantes del punto A al punto B) implica que podemos ahorrarnos una cantidad equivalente de baterías (y, por lo tanto, de litio, de cobalto, de cobre, disprosio, neodimio…) además de, obviamente, un menor impacto ambiental asociado a esa energía que se ha dejado de generar (la única energía «verde»). Si existe una alternativa equivalente (el Ioniq es un vehículo amplio y cómodo, casi de lujo), ese 40% de energía de más que consume el Tesla sólo alimenta el disminuido y acomplejado ego del gilipollas que lo conduce. Pero la factura de las consecuencias de producir esa energía se la endosa a todo el planeta.

Es obvio que el que se compre un Tesla es un completo imbécil narcisista (dilapidar energía con glamour, y aún pretender una superioridad moral sobre los pobres curritos que no se pueden permitir ser tan concienciado y solidario), habiendo en el mercado alternativas mucho más eficientes. Sin embargo, el Hyundai no es ni mucho menos la panacea; yo propongo como alternativa ir mucho más allá en la búsqueda de la eficiencia en la automoción. Si una reducción de peso de 700kg nos permite ahorrarnos un 41% de energía y seguir teniendo un vehículo perfectamente útil para circular por carreteras abiertas al tráfico, una dieta mucho más estricta nos llevaría a vehículos de menos de media tonelada que lograrían autonomías suficientes con menos de 10 kWh de baterías embarcadas.

Si, además, acometemos la electrificación de la red troncal de carreteras, podemos reducir esta cantidad a unos 5 kWh, que simplemente nos darían autonomía (unos 100km) para los kilómetros finales del viaje por carreteras secundarias, comarcales o vías urbanas.

Y ahora sí que empiezan a salir las cuentas. Pasando de los 60 kWh de la versión base del Tesla 3 (su modelo de utilitario) a 5 kWh supone fabricar una docena de baterías con el litio que se emplea para fabricar un solo pack de la batería pequeña de Tesla. De esta forma, sí que hay litio en el mundo para todos.

Un coche de menos de 500kg sería más seguro (especialmente si se generaliza y se sacan de la carretera las tanquetas) y divertido de conducir que los engendros que nos propone la industria. Y la huella ecológica asociada a su fabricación, operación y achatarramiento sería reducida en una proporción similar al ahorro de peso.

Pero, por encima de todo, es crítico asumir que el coche a pilas es una pieza menor en la electrificación del transporte (y no su eje central, como propone el cretino de Musk), que pasa por:
– una planificación urbanística y ordenación del territorio de forma tal que se reduzca la necesidad de desplazamientos cotidianos. El modelo de urbanizaciones usamericano, medio en el que nació Tesla, es el mejor ejemplo de aquello de lo que debemos huir si queremos alcanzar la eficiencia energética. El objetivo es lograr ciudades de alta densidad de población y tamaño intermedio, con una especialización en ciertas áreas del conocimiento.
– un transporte urbano colectivo y electrificado. Ciudades vedadas al transporte privado, que usurpa más espacio del que le corresponde, colapsando las vías que deberán ser ocupadas por el transporte colectivo que gestiona mejor ese espacio.
– un transporte interurbano de personas y mercancías basado en el ferrocarril electrificado. Es necesario planear una red europea de gestión unificada que se prolongue por el continente euroasiático. Este punto nos daría una ventaja competitiva respecto a otras economías aisladas por mar (el transporte aéreo es energéticamente ineficiente y por mar es demasiado lento para el ritmo actual de la economía).

En este escenario, el coche eléctrico quedaría sólo para los trayectos ocasionales en que al menos uno de los puntos de partida o llegada sea difícil de ser servido por transporte público (baja densidad de población). Probablemente el futuro de la automoción quede relegado al alquiler, con pequeños vehículos que nos llevarán desde la estación de ferrocarril hasta nuestro destino final. Ése es al menos el modelo energéticamente eficiente al cual deberemos tender según se vayan haciendo más obvias las consecuencias del despilfarro energético.

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