Cómo hacer que la extracción de litio sea más limpia, rápida y económica, en seis pasos

Trabajadores en un estanque de evaporación de litio en el desierto de Atacama en Chile. Crédito: Philippe Psaila/SciencePhoto Library

Cómo hacer que la extracción de litio sea más limpia, rápida y económica, en seis pasos

La demanda de litio para baterías y otras tecnologías verdes se está disparando. La industria debe desarrollar métodos sostenibles para eliminar y procesar el elemento de los minerales y salmueras para evitar daños ambientales.

Andrew Z. Haddad,Lucas Hackl,Bilen Akuzum,Garret Pohlman,Jean-François Magnan yRoberto Kostecki

La demanda de litio se dispara. El elemento es un ingrediente crucial en las tecnologías ecológicas, incluidas las baterías de los teléfonos, las computadoras portátiles, los automóviles eléctricos y las redes eléctricas1,2. Las baterías de iones de litio se encuentran entre las mejores opciones para mantener la carga y entregar energía de manera eficiente. Para 2025, se prevé que la demanda de litio elemental sea tres veces mayor (150.000-190.000 toneladas) que en 20183. Y para 2100, eso podría aumentar a 400.000–700.000 toneladas por año 4.

En teoría, hay suficiente litio en el suelo para satisfacer esa necesidad: aproximadamente 20 millones de toneladas (Mt) están disponibles en reservas donde el elemento es económico de extraer, y casi 90 Mt más se han identificado en otros lugares 5. Pero, en la práctica, hay un cuello de botella en la producción. Es lento y costoso abrir nuevas minas e instalaciones de procesamiento, por lo que la demanda podría superar la oferta en la próxima década. La Agencia Internacional de Energía (AIE) predice que, para 2030, los productores podrán satisfacer solo la mitad de las necesidades de la industria del litio mientras cumplen los objetivos de sostenibilidad que están en línea con el acuerdo climático de París 6.

Fuente: AIE

Los métodos utilizados para extraer y procesar litio a partir de rocas, salmueras y arcillas tampoco están a la altura. Han cambiado poco durante el siglo pasado y dependen de procesos mecánicos y químicos que son ineficientes, derrochadores y dañinos para el medio ambiente. Es necesario repensar toda la base de la extracción y el procesamiento del litio.

Convencionalmente, los minerales rocosos se tuestan a 1.100 °C y luego se hornean en ácido a 250 °C para liberar (‘lixiviar’) litio en su forma de sulfato (Li2SO4)7 . Se utiliza un procedimiento similar para las arcillas8. A continuación, los metales no deseados se separan mediante media docena de reacciones químicas, que requieren más calor y reactivos. Finalmente, la solución se evapora para dejar carbonato de litio puro (Li2CO3) o hidróxido de litio (LiOH). Las salmueras se tratan de manera similar, o se pueden dejar afuera para que se evaporen durante meses o un año, una tasa que es demasiado lenta para impulsar la industria.

El procesamiento químico del litio también consume mucha energía y agua: producir 1 tonelada de sales de litio requiere aproximadamente tanta electricidad como la que consumen seis hogares estadounidenses en un año (60 megavatios hora), así como el agua de una pequeña piscina (70 metros cúbicos). Genera muchos residuos sólidos9 y emisiones. Según la materia prima, la producción de 1 tonelada de Li2CO3 o LiOH libera entre 3 y 17 toneladas de dióxido de carbono, de 2 a 11 veces más que para 1 tonelada de acero, y más que un vuelo de ida y vuelta para un pasajero desde San Francisco. a la ciudad de Nueva York (aproximadamente 1,5 toneladas de CO2). En total, el procesamiento representa alrededor del 70 % de las emisiones de CO2 asociadas con la producción de litio6; la minería y el transporte son responsables del resto (ver ‘Emisiones por extracción de litio’). Según nuestros cálculos utilizando datos de la IEA, esto totalizó 3,6 millones de toneladas de CO2 en 2020 para Li2CO3 . Para 2050, los datos de la AIE sugieren que esas emisiones podrían aumentar a 60 millones de toneladas de CO2 por año.

Fuente: AIE

La expansión de la minería también tiene muchas desventajas. La mayor parte del litio del mundo proviene de unas pocas regiones remotas5. Más de la mitad (54%) se extrae en Australia Occidental a partir de minerales de roca dura spodumena . Las salmueras son la siguiente fuente más común y se encuentran en piscinas superficiales y manantiales geotérmicos en las salinas (salares) del “triángulo de litio” entre Chile, Bolivia y Argentina, y en California. También se han identificado arcillas que contienen litio en el desierto de Mojave en el sur de California, el sur de Nevada, México, Serbia y Tanzania.

Estas regiones predominantemente secas ya experimentan estrés hídrico, que se ve agravado por los riesgos climáticos, incluidos el calor extremo y las inundaciones. Las inundaciones pueden propagar la contaminación a los cuerpos de agua cercanos. Por ejemplo, los desechos o ‘ganga’ que quedan en los estanques de evaporación contienen metales pesados, como arsénico, talio y cromo, así como uranio y torio, elementos radiactivos naturales que también están presentes en los minerales de litio.

Las consecuencias sociales adversas de la minería van desde protecciones inadecuadas de seguridad y salud hasta violaciones de los derechos humanos. Será esencial que las empresas mineras de litio mantengan los sólidos compromisos ambientales, sociales y de gobernanza que muchas han hecho para continuar protegiendo el medio ambiente y la salud de los trabajadores y los residentes locales (ver, por ejemplo, go.nature.com/3k3qfbb ) .

Si nada cambia, simplemente aumentar la producción de litio en los sitios existentes podría anular los beneficios de las tecnologías limpias que impulsan. Aquí, destacamos seis prioridades para la industria del litio.

Extraer litio en menos pasos

La extracción directa de litio de salmueras o soluciones ácidas evita la necesidad de muchas reacciones químicas y consume menos materia prima, agua y energía. Químicos e ingenieros están probando tales sistemas, aunque la mayoría aún no se ha comercializado. Estos utilizan un ‘sorbente’, a menudo un óxido de metal poroso, para atraer y concentrar iones de litio en una columna10. Los iones se eliminan con ácido clorhídrico o sulfúrico (H2SO4), y el adsorbente puede reutilizarse.

La electrólisis es otra forma de ahorrar en reactivos y emisiones. Convencionalmente, la solución de Li2SO4 se convierte en sales de litio de grado de batería haciéndola reaccionar con carbonato de sodio (Na2CO3) para producir Li2CO3 y luego con hidróxido de calcio (Ca(OH)2) para formar LiOH. Pero ambos reactivos son intensivos en la producción de carbono. En cambio, pasar una corriente eléctrica a través de la solución produce reacciones en los electrodos. En el electrodo positivo, el agua se convierte en protones (H+) y oxígeno (O2), y en el electrodo negativo, el agua se convierte en hidróxido (OH) e hidrógeno (H2 ).Los iones de litio(li+)migran al electrodo negativo, donde se combinan con iones de hidróxido para formar LiOH. Los protones producidos en el electrodo positivo luego se combinan con el sulfato sobrante (SO42−) para crear H2SO4, que se puede recuperar.

Estos procesos todavía necesitan ser optimizados. Los químicos deben diseñar adsorbentes que puedan absorber litio de manera selectiva, rápida y efectiva sin deteriorarse; los disponibles hoy en día no pueden combinar estas cualidades. En electrólisis, los materiales de los electrodos deben ser más sostenibles, asequibles y estables a altas temperaturas. Por ejemplo, algunos elementos que se utilizan para recubrir electrodos, como el iridio, se degradan por encima de los 50 °C y deben evitarse. Es necesario explorar diferentes diseños, tamaños y geometrías de electrodos y reactores.

Convertir los desechos en productos valiosos

Para 2030, se proyecta que la industria de baterías de iones de litio produzca casi 8 millones de toneladas de desechos de sulfato de sodio (Na2SO4),aumentando a casi 30 millones de toneladas para 2050 (AZH, comunicación personal). Este se genera durante la cristalización del Li2CO3, cuando el Li2SO4 reacciona con el Na2CO3. Actualmente, los desechos se vierten en vertederos o se envían al extranjero, lo que hace que la eliminación sea un gran desafío. Por lo tanto, existe una enorme oportunidad medioambiental para reprocesar el Na2SO4 de nuevo en hidróxido de sodio (NaOH) y H2SO4. Estos productos químicos representan dos de los mayores insumos para la extracción de litio, la fabricación y el reciclaje de baterías11, que probablemente usarán 5 Mt de NaOH y 6 Mt de H2SO4 en 2030. Para 2050, se prevé que aumente a 17 Mt y 19 Mt, respectivamente (análisis de los autores utilizando el software GREET desarrollado por Argonne NationalLaboratory).

Aquí, de nuevo, la electrólisis se puede utilizar a través de un proceso análogo al de la conversión de sales de litio. Además de agregar valor a los desechos, este paso adicional mejoraría la circularidad, la sostenibilidad y la solidez de la cadena de suministro de baterías de iones de litio. (Múltiples empresas de varios tamaños se están enfocando en esta área, incluida Aepnus Technology, donde trabajan LH, BA y GP). Según los análisis de la industria, hacerlo podría mitigar al menos 160 millones de toneladas de CO2 entre 2024 y 2050. Los costos varían , pero podría ser menos de US$1.000 por tonelada, reduciendo así los costos de procesamiento y eliminación en al menos un 15%.

Separación de sulfato de litio en Bolivia. Crédito: Gastón Brito Miserocchi/Getty

Procesamiento de minerales bajo tierra electroquímicamente

En lugar de excavar rocas y separar los productos químicos de ellas en la superficie, el litio podría extraerse mientras aún están enterrados, mediante procesos electroquímicos. Los pozos horizontales perforados a través de depósitos geológicos ricos en litio se pueden “fracturar” de manera similar a los lechos de petróleo de esquisto bituminoso. Los electrodos insertados dividirían las moléculas de agua y producirían los iones H+ necesarios para lixiviar el litio en la solución. El líquido resultante se alimentaría a la superficie y se procesaría en sales de litio.

Las tecnologías de minería subterránea aún están en pañales, pero se ha establecido la viabilidad de este enfoque para la recuperación de cobre12, un proceso que también depende de la lixiviación ácida. Se necesita más investigación sobre cómo extraer iones como el litio de forma selectiva en un entorno natural, entre materiales, superficies e interfaces complejos. Para validar este enfoque, los ingenieros deben examinar las correlaciones entre la profundidad de la fractura y el tamaño de las partículas, junto con las condiciones de funcionamiento, como el voltaje de la celda y la densidad de corriente.

Los detractores podrían sugerir que el frackingelectroquímico podría empeorar la contaminación del agua y del medio ambiente. Sin embargo, los minerales de litio o las arcillas se fracturarían a una profundidad menor que las lutitas bituminosas profundas. Y el agua y la arena podrían usarse como líquido de fracking, sin la letanía de tensioactivos químicos y estabilizadores necesarios para la fracturación de esquisto. Aun así, el modelado económico y el análisis del ciclo de vida serán cruciales para afirmar la viabilidad de la minería subterránea, así como sus efectos sobre el carbono (tanto emitido como almacenado en los suelos) y los ecosistemas.

Hacer electrodos a partir de minerales en bruto

Los fabricantes de baterías actualmente sintetizan materiales de electrodos de iones de litio desde cero, utilizando sales de metales de transición y litio puro. La fabricación de electrodos a partir de materias primas menos procesadas, como los propios minerales, evitaría gran parte del procesamiento químico. Las futuras químicas de electrodos podrían algún día hacer esto posible.

Por ejemplo, algunos electrodos están hechos de óxidos de cobalto de litio, níquel, manganeso (Li-NMC) en capas. Se están investigando materiales que tienen estructuras más irregulares que Li-NMC para su uso como electrodos, incluidas las sales de roca desordenadas (DRX). Estos contienen manganeso o titanio, elementos que son más abundantes y menos costosos que el cobalto o el níquel, y pueden contener cargas más densamente que el Li-NMC13. Pero los electrodos DRX deben funcionar con voltajes altos, a los que se vuelven inestables. Este problema debe superarse antes de que tales materiales puedan usarse en baterías.

En teoría, debería ser viable fabricar electrodos directamente a partir de minerales de litio o arcillas. Dichos minerales son ricos en otros elementos que ya se utilizan en los electrodos de las baterías. Por ejemplo, la espodumena incluye litio, aluminio, silicio y magnesio, y las arcillas de litio, como la hectorita, contienen litio, magnesio, hierro y manganeso, pero no en la disposición y el entorno adecuados para almacenar la carga.

Aunque todavía falta una década para el concepto, los químicos e ingenieros están explorando las posibilidades. Se necesita un modelo computacional para examinar redes de reacciones que podrían usarse para concentrar litio y metales de transición en los minerales e identificar aditivos útiles. También es necesario desarrollar electrodos y electrolitos DRX (el amortiguador entre los electrodos) que puedan resistir el calor y trabajar con altos voltajes.

Expandir la minería junto con el reciclaje a nivel mundial

Para superar los cuellos de botella del litio, el ‘dónde’ podría ser tan importante como el ‘qué’. Aunque un puñado de países extrae litio, la cadena de suministro de baterías se concentra en el este y sureste de Asia, especialmente en China. Otras naciones y regiones buscan impulsar la fabricación nacional y diversificar sus cadenas de suministro. La Unión Europea adoptó una estrategia sobre cadenas de suministro de baterías en 2018 (la Alianza Europea de Baterías), y en 2021-22, Estados Unidos aprobó el Proyecto de Ley de Infraestructura Bipartidista, la Ley de Reducción de la Inflación y la Ley de CHIPS y Ciencia para impulsar la producción nacional de energía verde. tecnologías, incluidas las baterías.

A la larga, poner en marcha más minas e instalaciones de procesamiento es la forma más sencilla de proteger la seguridad energética. Si bien esto está comenzando a suceder, los proyectos de infraestructura minera y energética son lentos: toma un promedio de 16 años desde el descubrimiento hasta la primera producción, según los tipos de mineral, la ubicación y la mina6 . Los obstáculos regulatorios también confunden esta línea de tiempo. A corto plazo, la escasez económica genera innovación: el uso de menos materiales y la sustitución de elementos puede aliviar las tensiones en el suministro y reducir los costos. Por ejemplo, reducir a la mitad el uso de plata y silicio en las células solares durante la última década ha ayudado a acelerar su implementación y reducir los costos.

Se deben aprovechar las fuentes de litio no convencionales menos concentradas, incluidos los relaves mineros y las aguas ácidas de drenaje de minas, así como las “aguas de producción” de la perforación de petróleo y gas. La economía de tales enfoques necesita estudios a escala piloto y de banco para evaluar su viabilidad.

También se debe aumentar el reciclaje de baterías de iones de litio, sobre todo para abordar el aumento de las baterías de vehículos eléctricos gastadas que llegarán al final de su vida útil después de 2030. El reciclaje podría proporcionar el 10% del suministro en 2040, según la industria6. Se establecen las tecnologías centrales. En la forma más simple, los electrodos se quitan y se ‘renuevan’ añadiéndoles más litio. Más a menudo, la batería se tritura mecánicamente y se calienta para liberar una aleación de metal, que incluye cobalto y níquel, y una escoria que contiene litio y otros metales. Luego, la escoria se trata como minerales y arcillas para producir sales de litio. Al igual que con la extracción de litio en bruto, los químicos e ingenieros deben ayudar a cada ion metálico a encontrar su hogar y adaptar los procesos de extracción para reducir los pasos y el uso de reactivos.

Coordinar políticas, impulsar la investigación y comunicar

La creciente demanda de minerales para ayudar con la transición energética mundial traerá riesgos para las empresas, los gobiernos y las comunidades. Las cadenas de suministro deben estar libres de malos actores, y los minerales y materiales deben obtenerse de manera responsable. La documentación digitalizada, como los ‘pasaportes’ que rastrean la procedencia de todos los minerales y componentes utilizados en la fabricación, facilita cada vez más el seguimiento de productos y flujos de materiales. Los orígenes podrían verificarse mediante el análisis de isótopos, utilizando espectrómetros de masas y bases de datos de la composición isotópica del litio en todas las fuentes geográficas. Sería necesario estandarizar los métodos de preparación y análisis de muestras e introducir regulaciones. Los requisitos globales podrían incentivarse mediante acuerdos comerciales y paquetes de apoyo económico.

La innovación técnica es otra área que está madura para la coordinación. Los centros de investigación financiados por el gobierno deben desarrollarse con la industria privada para enfocarse en la investigación en la extracción de minerales, similares a los de los sectores de gestión del agua (como la Alianza Nacional para la Innovación del Agua de EE. UU.) y semiconductores (como el Centro de Óptica de Rayos X en Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en California). Los centros de innovación académica deberían apoyar a las empresas de tecnología limpia. Las grandes empresas pueden establecer firmas de capital de riesgo para respaldar conceptos iniciales, que a menudo los accionistas consideran demasiado riesgosos.

Las consultas comunitarias son esenciales para apoyar la ‘justicia energética’. Por ejemplo, en el sureste de California, la Junta de Supervisores del Condado de Imperial dirigió un taller y propuso otros para fomentar las discusiones entre los ciudadanos y la industria en torno a la extracción local de litio. Los organismos internacionales, como la Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económicos (OCDE), brindan un foro para orientar las acciones de política en torno a la seguridad energética.

El desafío del litio representa una oportunidad única en la que se alinean las necesidades de la investigación fundamental y la política global. Incentivar estos seis cambios en la industria será esencial para implementar tecnologías ecológicas en este siglo.
Nature 616, 245-248 (2023) doi: https://doi.org/10.1038/d41586-023-00978-2

Referencias

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