Los teléfonos inteligentes, ordenadores portátiles, altavoces Bluetooth y vehículos eléctricos (VE) son parte de nuestra vida cotidiana, pero rara vez pensamos en los elementos metálicos que los hacen funcionar. Las unidades centrales de procesamiento (CPU) y las unidades de procesamiento gráfico (GPU) de nuestros dispositivos electrónicos están hechas de silicio, y esos chips se encargan de los cálculos. Sin embargo, existen otros componentes de circuitos igualmente importantes, como las unidades de disco duro y la memoria flash. Sin ellos, no podríamos conservar grandes cantidades de datos almacenados temporal o permanentemente mientras navegamos o realizamos tareas exigentes. Las materias primas de estos componentes están hechas de lo que se conoce como metales críticos.
Metales críticos se consideran como tales por dos razones: su papel crucial en las industrias modernas y su desigual abundancia y distribución geográfica. Estos factores los hacen muy deseados, pero más difíciles de obtener en regiones y países que carecen de depósitos naturales significativos. El creciente proteccionismo y las barreras comerciales están exacerbando los desequilibrios entre la oferta y la demanda. También se espera que la volatilidad de los precios persista a medida que continúen estos desequilibrios.
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Estos factores demuestran por qué el mundo necesita procesos más eficientes y eficaces para la extracción de metales críticos. Los métodos actuales se realizan habitualmente con productos químicos tóxicos y condiciones de reacción severas, lo que hace que estos pasos sean perjudiciales para el medioambiente e ineficientes debido al uso significativo de disolventes. Además, una cantidad importante de metales críticos se pierde en el proceso de purificación debido a una tecnología de separación deficiente.
Afortunadamente, una importante investigación científica está abordando estos problemas, y es posible que pronto existan mejores métodos para satisfacer las necesidades del mercado y los imperativos medioambientales.
¿Qué son los metales críticos?
Al observar la tabla periódica de los elementos (véase la Figura 1), los metales críticos incluyen algunos metales alcalinotérreos como el litio, algunos metales de transición de la primera fila como el cobalto y algunos metales del bloque p como el telurio. También comprenden metales de transición de la segunda y tercera fila que abarcan los metales del grupo del platino (MGP): platino, paladio, rodio, rutenio, iridio y osmio. Los metales críticos también incluyen algunos de los lantánidos o metales de tierras raras (MTR), también conocidos como elementos de tierras raras (ETR), incluidos el lantano, el cerio, el praseodimio, el neodimio, el samario, el europio, el gadolinio y el terbio.
El Servicio Geológico de los Estados Unidos (USGS) supervisa un conjunto más amplio denominado minerales críticos que incluye los elementos aluminio, cobre, hierro y níquel, pero no los estamos considerando en nuestro análisis debido a su relativa abundancia y a sus procesos de purificación establecidos.
Los metales críticos no solo son sumamente valiosos y están distribuidos de forma desigual, sino que también han sustituido a otros metales de menor rendimiento debido a sus propiedades físicas mejoradas. Por ejemplo, algunos metales críticos como el neodimio poseen propiedades magnéticas permanentes increíblemente fuertes, superiores a las del hierro, lo que los hace ideales para dispositivos de memoria de alto rendimiento en teléfonos inteligentes, ordenadores y servidores de datos en la nube, convirtiéndolos en componentes indispensables en la era digital.
Cabe destacar la cantidad de metales críticos que posee cada país o región para los elementos en cuestión. El USGS proporciona una cobertura global de estos recursos naturales mediante informes y actualizaciones periódicas. La Tabla 1 muestra un mapa de calor de los datos del USGS sobre las reservas en toneladas métricas (TM) por país o región; tenga en cuenta que el USGS agrupa los elementos de los metales del grupo del platino (MGP) y las tierras raras (REE) como dos entidades combinadas, mientras que el litio, el cobalto y el telurio se distinguen por separado. Como era de esperar, el telurio tiene una abundancia muy escasa, con reservas registradas en Canadá de solo 0,9 mil TM, 3,1 mil en China, 3,8 mil en Estados Unidos y 5,8 mil en Rusia. Compárese esto con los 57 millones de TM de litio en Australia, o los 44 millones de TM de REE en China y 1,8 millones de TM en EE. UU.
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Aplicaciones de los metales críticos
Los metales críticos se utilizan en numerosas tecnologías y dispositivos, pero ¿cómo se incorporan específicamente? Existen tres aplicaciones principales:
- Baterías/almacenamiento de energía: El litio y el cobalto se utilizan en las baterías por su densidad de carga y la estabilidad del cátodo para lograr ciclos de vida prolongados. No se han encontrado otros elementos que ofrezcan el mismo rendimiento. Por ejemplo, las baterías de plomo y zinc, de bajo coste y uso generalizado, llevan muchos años disponibles comercialmente, pero presentan problemas medioambientales y una menor retención de carga y vida útil.
- Imanes: Los centros de datos requieren materiales magnéticos para mantener el rendimiento a temperaturas elevadas, las cámaras de los teléfonos inteligentes necesitan actuadores magnéticos de ultraprecisión para la estabilización de imagen, y los motores de los vehículos eléctricos demandan imanes que mantengan su fuerza bajo tensión. El neodimio es uno de los metales más fuertes de magnetismo permanente disponibles comercialmente en el mundo; el disprosio mantiene la fuerza magnética a altas temperaturas; y el terbio puede utilizarse para mejorar propiedades magnéticas de otros componentes. Los metales críticos como el praseodimio ofrecen una solución alternativa de menor coste en comparación con el neodimio en algunos casos. Los componentes de memoria típicos en los que intervienen incluyen unidades de disco duro para el almacenamiento de datos de alta densidad, RAM magnética para memoria no volátil e imanes en miniatura para altavoces y auriculares.
- Catálisis: De los metales críticos utilizados en la catálisis, el rutenio es vital para la producción de amoníaco y el iridio para la producción de hidrógeno verde (electrólisis del agua). Los convertidores catalíticos se utilizan ampliamente para reducir diversos gases nocivos de los escapes de los automóviles e incluyen platino para convertir el monóxido de carbono, rodio para reducir los óxidos nitrosos y paladio, que puede convertir los hidrocarburos no quemados.
Mejora de la extracción, separación y purificación de metales críticos
Las industrias que utilizan metales críticos ya se enfrentan a desafíos importantes debido a su falta de abundancia. Además, una vez que los dispositivos han llegado al final de su ciclo de vida, normalmente se desechan en vertederos. Los esfuerzos recientes se han centrado en reciclar los dispositivos para extraer esos metales críticos y reutilizarlos en nuevos dispositivos. Aunque esto ha demostrado ser exitoso hasta cierto punto y debería ser una prioridad, existen otras formas de mejorar las tasas de extracción de metales críticos al comienzo de sus ciclos de vida, como la minería, la separación y la purificación.
Actualmente existen dos procesos típicos para la extracción de metales críticos de otros elementos: la hidrometalurgia y la pirometalurgia, cada una de las cuales engloba procesos específicos. La hidrometalurgia incluye la lixiviación ácida, la lixiviación alcalina, la extracción por disolventes y los procesos de intercambio iónico. La pirometalurgia incluye la fundición y el tostado a alta temperatura, la calcinación para eliminar impurezas volátiles y un proceso de reducción mediante carbono o hidrógeno.
Cada uno de estos métodos presenta riesgos medioambientales, como el alto consumo de energía, que suele obtenerse mediante la quema de combustibles fósiles, y la generación de sustancias químicas tóxicas. Sin embargo, la nueva tecnología verde puede superar estos desafíos:
Metales para baterías: Litio y cobalto
Las técnicas de separación y purificación de metales críticos para baterías, como el litio y el cobalto, suelen incluir la evaporación de salmuera y la concentración, la precipitación selectiva y la electrólisis o la química redox. Recientemente, los investigadores informado un nuevo reactivo para unir selectivamente cloruro de litio de una matriz de sales metálicas, incluyendo sodio, magnesio y zinc con alta eficiencia. La precipitación puede ser un método de bajo coste y escalable, y se utilizó con éxito para separar cobalto de níquel con la simple adición de carbonato, lo que provoca que el complejo de cobalto resultante precipite, dejando el níquel solvatado.
Metales del grupo del platino (PGM)
Para los elementos del grupo del platino y las tierras raras, las nuevas tecnologías incluyen la cristalización fraccionada, las cascadas de extracción por disolventes, la cromatografía iónica y la precipitación selectiva. Por ejemplo, un complejo de platino fue separado de otros PGM, incluyendo paladio y rodio, con un aditivo orgánico llamado cucurbit[6]urilo, que se une selectivamente a las especies de platino y las precipita de la solución.
Metales especializados: Oro y telurio
La purificación del mineral de oro es un proceso tóxico y sigue siendo un desafío. Por esta razón, los investigadores encontraron una manera de extraer aniones de oro del carbón activado utilizando un agente coordinador orgánico de coste relativamente bajo, la α-ciclodextrina; el carbón activado es un sustrato típico utilizado en la industria del oro.
El telurio es un metal crítico notoriamente difícil por dos razones: su abundancia es tan baja que rara vez se extrae, sino que se separa de los residuos de la minería de níquel, y tiene varios estados de oxidación que pueden ser difíciles de activar químicamente para fines de precipitación debido a su afinidad por retenerse como óxido. Los investigadores descubrieron, sin embargo, que al añadir ciertos derivados de catecolato al TeO2, podían desplazar el oxígeno y formar un complejo de telurio bajo condiciones redox, purificando con éxito los productos.
Examinamos la CAS Content CollectionTM, la mayor colección de contenidos de información científica seleccionada por expertos humanos, para comprender mejor cómo están evolucionando las tecnologías de separación y purificación. Observamos una fuerte trayectoria ascendente en las publicaciones de revistas y patentes relacionadas con estos procesos durante los últimos 25 años (véase la Figura 3).
También examinamos el número de revistas y patentes para determinados metales críticos (véase la Figura 4). El crecimiento general refleja la tendencia al alza de los dispositivos que funcionan con baterías, como los teléfonos móviles y, más recientemente, los vehículos eléctricos. El litio se sitúa a la cabeza de los metales críticos publicados a partir de 2018, superando al cobalto en 2022. De los metales del grupo del platino (MGP), el platino y el paladio son los metales más reportados en patentes, seguidos de la plata y el oro, y luego el rodio y el rutenio. En cuanto a los artículos de revistas, los elementos de tierras raras (ETR) como el cerio, el neodimio y el lantano son los siguientes más publicados después del paladio.
A partir de este análisis, podemos observar la sólida actividad de investigación en torno a estos elementos, y el crecimiento en las publicaciones de patentes observado en la Figura 3 demuestra que las tecnologías mejoradas de separación y purificación están llegando a la comercialización.
También existe una diferenciación geográfica en torno a las tendencias de publicación, que abarca tanto revistas como patentes. La Figura 5 muestra un mapa de calor del total de documentos en función del metal crítico y el país, agrupados según sus aplicaciones típicas, como baterías y energía solar, catálisis y electrónica. China es el principal país en publicaciones para muchos metales críticos, particularmente litio, cobalto, oro, plata, platino, paladio, lantano, cerio y neodimio. Japón es un competidor cercano en cobalto, platino y paladio. Cabe destacar que hay menos publicaciones sobre telurio e iridio, siendo China y Japón los que más tienen, mientras que el osmio tiene el menor número de publicaciones de todos los elementos y países o regiones.
Se realizan dos observaciones al comparar la Figura 5 con la Tabla 1: (1) China posee los recursos de metales críticos más abundantes y publica la mayor cantidad de documentos; (2) ni Corea del Sur ni Japón tienen recursos de metales críticos, pero se encuentran entre los dos y tres principales países o regiones en cuanto a documentos publicados. Esto resulta inspirador para países de todo el mundo en una situación similar que buscan un crecimiento tecnológico frente a la escasez relativa.
Para una comprensión más detallada de los principales titulares de patentes, se seleccionaron los cuatro países y regiones principales, y se analizaron los cesionarios de patentes en función de los elementos de metales críticos (véase la Figura 6).
Central South University es el principal editor de patentes en general y de patentes de cobalto, mientras que Guangdong Brunp Recycling Technology Co. posee la mayor cantidad de patentes de litio. En Japón, la empresa Sumitomo Metal Mining Co. Ltd. es el mayor titular de patentes, seguida por JX Nippon Mining & Metals Corp., ambas con una amplia publicación en muchos de los metales críticos seleccionados. En Corea del Sur, el paladio es el metal crítico más patentado, particularmente por el Korea Institute of Energy Research. Estos análisis destacan la concentración de metales críticos en Asia y los esfuerzos de investigación centrados allí.
Metales críticos, futuro crítico
El mercado de los metales críticos representa un sector sustancial y creciente de la economía mundial, con variaciones significativas en las valoraciones de mercado entre las diferentes categorías de metales. El mercado del litio está proyectado a alcanzar los 11.100 millones de dólares este año, mientras que el mercado del cobalto demostró un crecimiento continuo impulsado por la mayor demanda de baterías para vehículos eléctricos y productos electrónicos. Actualmente está valorado en 17.000 millones de dólares. El mercado de los PGM estaba valorado en 21.600 millones de dólares en 2024, con expectativas de crecer a 22.700 millones de dólares en 2025, y el mercado de las tierras raras (REE) muestra valoraciones variables según la fuente, con estimaciones que oscilan entre los 4.000 millones de dólares y más de 8.000 millones de dólares en 2025, lo que refleja la complejidad y la rápida evolución del mercado.
Estos metales seguirán siendo indispensables para las economías modernas mientras alimenten teléfonos inteligentes, ordenadores, vehículos eléctricos y sistemas de energía renovable. Las tensiones geopolíticas y las políticas comerciales pueden agravar la volatilidad de los precios y los desequilibrios entre la oferta y la demanda, por lo que las empresas deben desarrollar estrategias de abastecimiento sólidas y un mapeo de la cadena de suministro integral para navegar en este panorama incierto.
La trayectoria hacia tecnologías de extracción y separación más sostenibles puede ayudar a afrontar estos desafíos, y es probable que la inversión continua en investigación produzca avances que reduzcan el impacto medioambiental y mejoren la eficiencia. El aumento de las publicaciones científicas y las patentes sugiere innovaciones prometedoras que podrían transformar los métodos de procesamiento tradicionales.
Al extraer más metales críticos con mayor sostenibilidad medioambiental, habrá más de estos elementos vitales disponibles para alimentar los dispositivos electrónicos de los que depende la vida moderna. Afortunadamente, las perspectivas son brillantes para metodologías nuevas y mejores, lo que significa un futuro positivo para los motores tecnológicos de hoy y de mañana.
