El litio, hoy llamado oro blanco, fue descubierto en 1817 por el químico sueco Johan August Arfwedson, quien demostró su presencia en minerales como la espodumena y la lepidolita. Este elemento de color blanco plateado, el menos denso de todos los metales y tercer elemento de la tabla periódica, es usado desde hace mucho tiempo por la industria. Aunque su extracción representa un enorme desafío tecnológico por ser un mineral con elevada reactividad química, las utilidades de este elemento en las industrias son incalculables y siguen creciendo.
No obstante, en el presente siglo se descubre la característica que en la actualidad lo convierte en un elemento tan codiciado y estratégico: su gran capacidad para el almacenamiento de energía, ya que, en comparación con otros materiales, permite la acumulación de altas densidades de carga en un espacio relativamente pequeño.
El interés por este metal se dio durante la Guerra Fría, se sintetizó con el fin de usarlo en la carrera armamentista nuclear. El litio es un recurso fundamental de actividades humanas tan diversas como la creación artesanal, la medicina y la ingeniería espacial. Ahora bien, muy pocos saben que el gran salto del litio se produjo a principios de la década de los 90, cuando la compañía japonesa Sony sacó al mercado la primera batería recargable de iones de litio.
Desde ese momento el interés por este metal sigue en aumento debido a su gran potencial electroquímico: las baterías de iones de litio son elementos portátiles que han revolucionado la tecnología en las décadas más recientes, una revolución que no ha cesado y cuyo siguiente salto debe ser la masificación de la movilidad a partir de motores de inducción en vehículos eléctricos. Sin perder de vista que también es requerido para ordenadores portátiles, teléfonos y otros dispositivos digitales.
Potencial
México figura entre los países que cuentan con yacimientos de litio en el noroeste del país. Según el Servicio Geológico de Estados Unidos hay reservas que probablemente sean bastante altas. Estos yacimientos se ubican principalmente en los estados de Baja California, San Luis Potosí, Zacatecas y Sonora.
Ante la gran posibilidad abierta por la presencia de este metal en el país, un equipo de investigadores de la Unidad Profesional Interdisciplinaria en Ingeniería y Tecnologías Avanzadas (UPIITA) del IPN ha sondeado por varios años el potencial que tiene este mineral para la producción de energía. Precisamente, el doctor Mario Fidel García Sánchez, coordinador de la carrera de Ingeniería en Energía, trabaja e indaga, entre otros temas, en la creación y prueba de distintos tipos de baterías que utilizan litio.
Contactado por Vértigo, este experto considera que “el litio será una alternativa del futuro, frente al petróleo, para generar energía”; además, argumenta, “se ha configurado una situación que podemos aprovechar como país, como creadores de tecnología y formadores de ingenieros, si vamos a participar en el diseño y fabricación de vehículos que usan energía eléctrica para movilizarse, si vamos a tener una gran industria automotriz de maquila y alto valor en el país, imaginemos lo conveniente que sería que la producción de las baterías de estos vehículos se produzcan con litio y tecnología mexicana, es decir, le daríamos muchísimo valor a nuestro litio en lugar de solamente cobrar una regalía por las hectáreas concesionadas a alguna minera”.
El profesor politécnico explica que “una batería funciona por el potencial químico, que no es más que una diferencia de concentración en el material del que esté hecha. El litio es un elemento que tiene la propiedad de propagarse de donde hay mayor concentración hacia donde hay menos. En una batería esto es una ventaja. Si por un lado tengo litio metálico con grafito y al otro lado hay algo que tiene menos litio, este se va a tratar de mover de donde hay más a donde hay menos”.
Dice que lo sustancial en una batería es no dejar que el litio pase como metal, sino obligar al litio a convertirse en un ion más (ion L+), más un electrón; para ello se coloca en el medio un material que deja pasar el litio, pero no así los electrones; entonces, al haber una diferencia de concentración, el litio va a tratar de moverse de un lado a otro, pero cada vez que se mueve deja un electrón del lado de que parte y crea una diferencia potencial.
Pondera: “Esa diferencia potencial es la que conectamos a cualquier circuito y produce corriente. Ese es el funcionamiento de una batería. ¿Por qué las baterías de litio? Porque es el chiquito de todos los iones, entonces es más fácil encontrar un material a través del cual el litio se pueda mover, eso es lo que me va a dar mayor eficiencia de carga”, argumenta.
Igualmente, indica, porque el litio es un metal ideal para baterías de alta densidad: “La peculiaridad con este elemento es que si se le aplica una diferencia potencial en sentido contrario se puede devolver al lugar original, en otros términos, se puede crear una batería recargable”.
El doctor García Sánchez y su equipo de alumnos trabajan con el litio que es un mineral sumamente inestable y tiene reacciones muy agresivas, a tal grado que no es factible sostener una lámina de litio metálico en la mano, porque automáticamente se oxidaría y podría, en casos extremos, estallar. No es estable en la atmósfera, es un elemento fuertemente electropositivo, lo que le confiere gran poder de reactividad frente a los agentes químicos.
Por ello, el trabajo con este mineral en baterías se efectúa en una cámara guante que fue creada por los mismos alumnos de UPIITA: “Son unas cámaras que se ponen al vacío, después se inyecta nitrógeno o alguna otra atmósfera inerte y solo en ese sitio uno puede trabajar el litio, no donde hay oxígeno, porque inmediatamente reacciona y lo hace violentamente”. En el laboratorio de García Sánchez el litio se manipula en forma de otros compuestos como el carbonato de litio.
El procedimiento es por medio de cámara guante y una prensa que le da forma a unos discos pequeños, como las baterías que utilizan los relojes, en las que se tiene el litio almacenado en condiciones de atmósfera inerte. La cámara de guante tiene dispositivos para introducir o sacar materiales para romper el vacío, sin que nunca entre el oxígeno en la cámara en la que se trabaja. Estas baterías de litio en forma de discos o moneda las prueban en distintos dispositivos y pueden observar qué tan bien funcionan.
Buscar la innovación, el perfeccionamiento y una mayor eficacia de las baterías de litio es un desafío tecnológico de primer orden, estos datos nos pueden dar una idea del impacto que tendría cualquier mejora o avance en este campo. El uso del litio para almacenamiento de energía a nivel mundial, es decir, como hidróxido de litio, saltó de ocupar 27% de los requerimientos industriales en 2011 a nivel mundial a 65% en 2019. El litio es uno de los metales ideales para baterías de alta densidad de potencia.
En las baterías de los automóviles eléctricos típicos actuales hay entre 10 y 20 kilogramos de litio. Esto es cinco mil veces más litio que en un teléfono celular. El doctor García Sánchez considera que hay una amplia área de oportunidad para investigar y concretar futuras innovaciones para el funcionamiento óptimo de las baterías de almacenamiento constituidas a partir del llamado oro blanco. Igualmente, estima que el litio pudiera ser parte del desarrollo de una tecnología nacional aprovechando el alto conocimiento científico que prevalece en el IPN y en otras universidades mexicanas.
Megagigantes pilas de litio
Hacia la próxima década se prevé el crecimiento exponencial de bancos de baterías de litio del tamaño de un tráiler. Hablamos de almacenamiento estacionario en relación con la generación de energías renovables intermitentes, como la eólica y la solar.
En estas baterías megagigantes se va a almacenar la energía generada que no se usa de manera inmediata. Ya se han construido algunas.
En cada uno de estos grandes almacenamientos hay alrededor de 700 kilogramos de litio. Estás baterías de tamaño superlativo se irán optimizando con el tiempo, otra área de aprendizaje e innovación tecnológica.