Las nuevas tecnologías pueden aumentar el suministro de metales críticos

Teléfonos inteligentes, ordenadores portátiles, altavoces Bluetooth, vehículos eléctricos (VE): estas tecnologías forman parte de nuestra vida cotidiana, pero rara vez pensamos en los elementos metálicos que las hacen funcionar. Las unidades centrales de procesamiento (CPU) y las unidades de procesamiento gráfico (GPU) de nuestros dispositivos electrónicos están fabricadas con silicio, y son estos chips los que 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, seríamos incapaces de almacenar grandes cantidades de datos a corto o largo plazo mientras navegamos o realizamos tareas exigentes. Las materias primas de estos componentes están formadas por lo que se conoce como metales críticos.

Los 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 importantes. 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 estos desequilibrios continúen.

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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 suelen realizarse con productos químicos tóxicos y condiciones de reacción agresivas, lo que hace que estos pasos sean ineficientes y perjudiciales para el medio ambiente debido al uso significativo de disolventes. Además, una parte importante de los 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), entre ellos lantano, cerio, praseodimio, neodimio, samario, europio, gadolinio y terbio.

El Servicio Geológico de los Estados Unidos (USGS) supervisa un conjunto más amplio denominado minerales críticos, que incluye elementos como el aluminio, el cobre, el hierro y el níquel, pero no los tenemos en cuenta en nuestro análisis debido a su relativa abundancia y a sus procesos de purificación establecidos.

Los metales críticos no solo son muy valiosos y están distribuidos de forma desigual, sino que también han sustituido a otros metales de menor rendimiento debido a sus mejores propiedades físicas. 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, convirtiéndose así en componentes indispensables en la era digital.

Cabe destacar la cantidad de metales críticos de la que dispone cada país o región para los elementos en cuestión. El USGS proporciona cobertura global de estos recursos naturales con informes y actualizaciones periódicas. La Tabla 1 muestra un mapa de calor de los datos del USGS para las reservas en toneladas métricas (TM) por país o región; tenga en cuenta que el USGS informa de los elementos de los MGP y los lantánidos (ETR) 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 para 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 ETR 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, lo que permite 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 en el mercado, pero presentan problemas medioambientales y una menor retención de carga y vida útil.
• ‍Imanes: Los centros de datos requieren materiales magnéticos para mantener su 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 conserven su fuerza bajo tensión. El neodimio es uno de los metales magnéticos permanentes más potentes disponibles comercialmente; el disprosio mantiene la fuerza magnética a altas temperaturas; y el terbio puede utilizarse para mejorar las propiedades magnéticas de otros componentes. Los metales críticos, como el praseodimio, ofrecen en algunos casos una alternativa relativamente más económica al neodimio. Los componentes de memoria típicos en los que intervienen incluyen unidades de disco duro para almacenamiento de datos de alta densidad, memorias RAM magnéticas para almacenamiento no volátil e imanes en miniatura para altavoces y auriculares.
• ‍Catálisis: De los metales críticos utilizados en 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 importantes desafíos debido a su escasez. Además, una vez que los dispositivos llegan al final de su ciclo de vida, suelen acabar en vertederos. Los esfuerzos recientes se han centrado en reciclar los dispositivos para extraer esos metales críticos y reutilizarlos en nuevos equipos. Aunque esto ha demostrado ser eficaz hasta cierto punto y debería ser una prioridad, existen otras formas de mejorar las tasas de extracción de metales críticos al inicio de sus ciclos de vida, como la minería, la separación y la purificación.

Actualmente existen dos procesos típicos para la extracción de metales críticos a partir 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 elevado consumo energético, que suele obtenerse mediante la quema de combustibles fósiles, y la generación de sustancias químicas tóxicas. Sin embargo, las nuevas tecnologías ecológicas podrían 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 salmueras y concentración, la precipitación selectiva y la electrólisis o la química redox. Recientemente, los investigadores han reportado un nuevo reactivo para extraer selectivamente cloruro de litio de una matriz de sales metálicas, incluyendo sodio, magnesio y zinc, con gran eficacia. La precipitación puede ser un método rentable y escalable, y se utilizó con éxito para separar el cobalto del níquel mediante la simple adición de carbonato, lo que provoca que el complejo de cobalto resultante precipite y deje el níquel en disolución.

Metales del grupo del platino (MGP)

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 MGP, incluidos el paladio y el rodio, con un aditivo orgánico llamado cucurbit[6]urilo, que se une selectivamente a las especies de platino y las precipita de la disolución.

Metales especializados: Oro y telurio

La purificación del mineral de oro es un proceso tóxico y sigue siendo un desafío. Por este motivo, los investigadores encontraron una forma de extraer aniones de oro del carbón activado utilizando un agente coordinador orgánico relativamente económico, 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 directamente, sino que se separa de los residuos de la minería del níquel, y posee varios estados de oxidación que pueden ser difíciles de activar químicamente para su precipitación debido a su afinidad por permanecer como óxido. Sin embargo, los investigadores descubrieron que, al añadir ciertos derivados de catecol a TeO2, podían desplazar el oxígeno y formar un complejo de telurio en condiciones redox, purificando así los productos con éxito.

Hemos analizado la CAS Content Collection^TM, el mayor repositorio de información científica curado por expertos, para comprender mejor cómo están evolucionando las tecnologías de separación y purificación. Hemos observado 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 hemos examinado 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 MGP, el platino y el paladio son los metales más reportados en patentes, seguidos de la plata y el oro, y después el rodio y el rutenio. En cuanto a los artículos de revistas, las tierras raras como el cerio, el neodimio y el lantano son los más publicados después del paladio.

A partir de este análisis, podemos observar la sólida actividad investigadora 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.

Existe también una diferenciación geográfica en 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 sobre 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 presenta el menor número de publicaciones de todos los elementos y países o regiones.

Al comparar la Figura 5 con la Tabla 1 se observan dos hechos: (1) China posee los recursos de metales críticos más abundantes y publica el mayor número de documentos; (2) ni Corea del Sur ni Japón tienen recursos de estos metales, pero ocupan los primeros puestos en publicaciones. Esto resulta inspirador para países en situaciones similares que buscan un crecimiento tecnológico pese a la escasez relativa.

Para comprender mejor a los principales titulares de patentes, se seleccionaron los cuatro países y regiones líderes y se analizaron los cesionarios de patentes en función de los elementos de metales críticos (véase la Figura 6).

Central South University lidera la publicación de patentes generales y de cobalto, mientras que Guangdong Brunp Recycling Technology Co. posee la mayoría de las patentes de litio. En Japón, Sumitomo Metal Mining Co. Ltd. es el mayor titular, seguido de JX Nippon Mining & Metals Corp., ambos con amplia presencia en diversos metales críticos. En Corea del Sur, el paladio es el metal crítico más patentado, especialmente por el Korea Institute of Energy Research. Estos análisis subrayan la concentración de metales críticos y los esfuerzos de investigación en Asia.

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 según la categoría. Se prevé que el mercado del litio alcance los 11 100 millones de dólares este año, mientras que el del cobalto ha mostrado un crecimiento continuo impulsado por la demanda de baterías para vehículos eléctricos y electrónica, valorado actualmente en 17 000 millones de dólares. El mercado de los metales del grupo del platino se valoró en 21 600 millones de dólares en 2024, con expectativas de alcanzar los 22 700 millones en 2025. El mercado de las tierras raras muestra valoraciones variables según la fuente, con estimaciones que oscilan entre los 4000 millones y más de 8000 millones de dólares en 2025, lo que refleja su complejidad y rápida evolución.

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 oferta y demanda, por lo que las empresas deben desarrollar estrategias de abastecimiento sólidas y un mapeo integral de la cadena de suministro para navegar en este panorama incierto.

La trayectoria hacia tecnologías de extracción y separación más sostenibles puede ayudar a afrontar estos retos, y es probable que la inversión continua en investigación genere 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 elementos vitales disponibles para alimentar los dispositivos electrónicos de los que depende la vida moderna. Afortunadamente, las perspectivas para nuevas y mejores metodologías son brillantes, lo que augura un futuro positivo para los motores tecnológicos de hoy y de mañana.