Un futuro más ecológico: baterías de iones de litio y celdas de combustible a base de hidrógeno

Zach Baum, Information Scientist, CAS
picture of car being fueled with hydrogen

Desde la segunda mitad del siglo XX, la concentración atmosférica de gases con efecto invernadero ha ido en aumento y ha contribuido al calentamiento contemporáneo, hasta el punto de que el cambio climático se puede detectar ahora a partir del tiempo de cualquier día. Actualmente, a causa de su fuerte dependencia de los combustibles fósiles, las mayores economías del mundo siguen generando enormes cantidades de CO2 (figura 1). 

Gráfico que muestra el aumento de las emisiones de dióxido de carbono a lo largo del tiempo
Figura 1. a) Aumento continuado de las emisiones globales de CO2 a lo largo del tiempo. b) Emisiones de CO2 de los seis países que generan los mayores niveles de este gas en todo el mundo. Fuente:
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En el marco de los esfuerzos constantes por obtener fuentes de energía más ecológicas, las baterías de iones de litio y las celdas de combustible a base de hidrógeno son dos tecnologías que están en el punto de mira de numerosas investigaciones y han despertado un creciente interés público. Se espera que las industrias productoras de baterías de iones de litio y celdas de combustible a base de hidrógeno alcancen un volumen de alrededor de 117 000 y 260 000 millones de USD, respectivamente, a lo largo de los diez próximos años.

Uno de los factores que más han influido en el creciente interés por las baterías de iones de litio es el aumento exponencial de sus usos en vehículos eléctricos y en dispositivos electrónicos de consumo, entre otras aplicaciones, mientras que el H2, como fuente de energía y como medio de almacenamiento, tiene usos en transporte, suministro energético para edificios y almacenamiento de energía a largo plazo para la red eléctrica en los sistemas reversibles. Se espera que las dos tecnologías desempeñen un papel importante en la descarbonización de los suministros de electricidad.

Como han demostrado los análisis realizados con laCAS Content Collection™, muchas de las investigaciones desarrolladas a lo largo de la última década sobre las baterías de iones de litio y las celdas de combustible a base de hidrógeno han tratado de resolver los principales retos y obstáculos actuales para su uso, algunos de los cuales se describen en este artículo. Si estas tecnologías están llamadas a transformar nuestro consumo energético y a guiarnos hacia un futuro más ecológico, esta investigación será esencial.

Baterías de iones de litio o celdas de combustible a base de hidrógeno: ¿cuáles son más prometedoras?

En un análisis superficial, podríamos sentirnos tentados de afirmar que las celdas de combustible a base de hidrógeno tienen más potencial en el transporte, una de las principales aplicaciones de las dos tecnologías, ya que ofrecen una mayor densidad de almacenamiento de energía con un peso inferior y un tamaño más reducido que las baterías de iones de litio. Además, los vehículos propulsados por hidrógeno pueden repostar más deprisa que los alimentados con baterías de iones de litio. Sin embargo, las celdas de combustible a base de hidrógeno tienen algunas desventajas: se estima que aproximadamente el 60 % de la energía del H2 almacenada se pierde en el proceso de envasar la energía obtenida del H2, una pérdida que triplica la que se produce al usar baterías de iones de litio.

Es evidente, no obstante, que las dos tecnologías tienen numerosas aplicaciones, de modo que las comparaciones directas son complicadas. Además, esta perspectiva no tiene en cuenta las investigaciones en curso ni los costes y beneficios generales de las tecnologías. La búsqueda en la CAS Content Collection nos permite ir más allá de la superficie y entender mejor cómo se usan hoy en día las baterías de iones de litio y las celdas de combustible a base de hidrógeno y cómo pueden llegar a usarse en el futuro.

Desafíos asociados al uso de las baterías de iones de litio

La fabricación y eliminación de las baterías de iones de litio siempre ha despertado reservas tanto políticas como medioambientales. El alto nivel de contaminación que generan y las fuentes de energía no renovables del litio y otros recursos clave siguen generando dudas más que justificadas.

Dado el vertiginoso crecimiento del número de coches eléctricos (y el tamaño cada vez mayor de sus baterías), combinado con la rápida eliminación de las baterías de iones de litio en smartphones y otros productos electrónicos de consumo, los residuos energéticos y la dependencia de recursos no renovables van en aumento. De hecho, se prevé que, en 2040, el 58 % de los coches vendidos en todo el mundo serán eléctricos y los residuos generados podrían llegar a los 8 millones de toneladas. Por este motivo, una buena parte de la investigación reciente sobre las baterías de iones de litio se ha centrado en la forma de reciclarlas con el objetivo de reducir la contaminación y la presión sobre las reservas de minerales.

Hoy en día, solo se recicla en todo el mundo alrededor del 5 % de las baterías de iones de litio a causa de diversas limitaciones, como las fluctuaciones en el valor financiero de los materiales de las baterías, la falta de convergencia tecnológica en sus diseños y materiales (y en los costes de la mano de obra de reciclaje correspondiente) y dentro de los centros de reciclaje, la imposibilidad de monetizar muchos de los beneficios del reciclaje (entre los que destacan la disponibilidad de reservas, la seguridad y los beneficios medioambientales) y la falta de normativas sobre reciclaje en buena parte del mundo.

Desafíos asociados al uso de las celdas de combustible a base de hidrógeno

Aunque los costes de las celdas de combustible a base de hidrógeno son considerables, en gran medida a causa del uso de platino, el principal reto relacionado con ellas tiene que ver con la dificultad de almacenar (y transportar) el H2. De hecho, el éxito del H2 como combustible de consumo depende directamente del hallazgo de materiales de almacenamiento resistentes para el H2 y del desarrollo de un sistema seguro y optimizado para transportarlo. 

Principales tendencias de investigación: baterías de iones de litio

Como ya se ha mencionado, el reciclaje centra una parte importante de las investigaciones relativas a las baterías de iones de litio, ya que podría ayudar a resolver algunos de los problemas que plantean actualmente estas baterías, como la contaminación, los residuos y las reservas limitadas de minerales. El incremento anual del volumen de publicaciones sobre este tema (32 %) es muy superior al de las publicaciones científicas generales (4 % anual), lo que sugiere un interés creciente (figura 2). 

Gráfico que muestra los datos de publicaciones sobre el reciclaje de baterías de iones de litio
Figura 2. Artículos de revistas y publicaciones de patentes relativos al reciclaje de baterías de iones de litio (los datos de 2021 son parciales).


Se ha realizado un considerable esfuerzo de investigación en relación con componentes de las baterías de iones de litio menos estudiados hasta la fecha (lo que sugiere la aparición de una visión más integral de la gestión del reciclaje) y con el desmontaje de las baterías (figura 3), una opción preferible desde el punto de vista medioambiental porque maximiza la cantidad de material reciclable. El reciclaje directo —la eliminación del material del cátodo para su reacondicionamiento y posterior reutilización en baterías nuevas— es también objeto de un interés creciente (figura 4) y es probable que tenga unos costes energéticos y de reactivos inferiores a los de otros métodos de reciclaje.

Gráfico que muestra las publicaciones que estudian la recuperación de materiales no catódicos para el reciclaje de baterías
Figura 3. Publicaciones que estudian la recuperación de materiales no catódicos y la optimización de los procesos de reciclaje.
Gráfico que muestra el volumen de publicaciones sobre métodos de reciclaje de baterías entre 2010 y 2021
Figura 4. Volumen de publicaciones de cada método de reciclaje en el periodo 2010-2021. La pirometalurgia es el uso del calor para convertir los óxidos metálicos empleados en los materiales de las baterías en metales o compuestos metálicos. Los métodos hidrometalúrgicos usan soluciones para extraer (lixiviar) y separar los metales de los materiales de las baterías. El reciclaje directo es la eliminación del material del cátodo para su reacondicionamiento y posterior reutilización en baterías nuevas.


Principales tendencias de investigación: celdas de combustible a base de hidrógeno

Desde 1997, se ha producido un aumento gradual del volumen de patentes en el espacio del combustible a base de H2, lo que demuestra el creciente interés global en esta tecnología (figura 5). Es alentador comprobar que, a lo largo de la última década, el almacenamiento de H2 ha sido el principal tema de interés (figuras 6 y 7). El desarrollo de una economía del H2 tiene una fuerte dependencia de la capacidad de almacenar y transportar el gas, dado que, sin esa capacidad, no es posible establecer una cadena de suministro.

Gráfico que muestra el cronograma de publicación de patentes en el espacio del combustible a base de hidrógeno
Figura 5. Cronograma de publicación de patentes en el espacio del combustible a base de hidrógeno. El número de organizaciones que han presentado solicitudes viene representado por el color y el grosor del minigráfico. Fuente:
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Gráfico que muestra las tendencias en los temas de las publicaciones en el espacio del combustible a base de hidrógeno
Figura 6. Tendencias en los temas de los artículos de revistas y las patentes en el espacio del combustible a base de hidrógeno. Fuente:
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Gráfico que muestra las principales áreas de innovación en el espacio del combustible a base de hidrógeno
Figura 7. Las principales áreas de innovación en el espacio del combustible a base de hidrógeno para diversos sectores industriales. Fuente:
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El almacenamiento del hidrógeno va seguido de la deshidrogenación (figura 6), que se ha convertido en la segunda mayor área de innovación desde 2012. Con los métodos de deshidrogenación, es posible extraer gas de H2 de portadores líquidos de H2 como el amoniaco, sustancias químicas para las que ya existe una infraestructura de almacenamiento y transporte. Por ello, este tema podría representar una solución clave en los esfuerzos destinados a generalizar el uso del H2. La investigación en curso va dirigida a aumentar la eficiencia de procesos costosos como el de Haber-Bosch, necesario para extraer el H2 de su portador (en el caso de una fuente de amoniaco), o a encontrar alternativas más eficientes desde el punto de vista energético. 


Una mirada al futuro

La CAS Content Collection nos ha permitido investigar las principales tendencias de investigación en curso para aprovechar el potencial de las baterías de iones de litio y las celdas de combustible a base de hidrógeno, dos tecnologías clave que pueden ayudarnos a transformar el consumo energético global para hacer posible un futuro más ecológico.

Además, la investigación parece centrarse en resolver los principales problemas contemporáneos relacionados con estas tecnologías. En el caso de las baterías de iones de litio, la investigación sobre el reciclaje está en auge, mientras que el almacenamiento del H2 es el campo de interés más destacado en el trabajo sobre las celdas de combustible a base de hidrógeno. 

Consulte nuestros informes técnicos sobre el reciclaje de baterías de iones de litio y las celdas de combustible a base de hidrógeno para obtener más información sobre el dinámico panorama económico, político, medioambiental y de investigación de estas dos tecnologías clave.

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