Cómo los avances científicos y tecnológicos podrían aportar silicio

Jun 20, 2023

Sila Nanotechnologies es un desarrollador de materiales para baterías cuya tecnología innovadora, denominada "Titan Silicon", es un ánodo de silicio nanocompuesto (NCS).

Los materiales de la compañía impulsan mejoras en el rendimiento de las baterías en dispositivos electrónicos de consumo y están destinados a impulsar vehículos eléctricos (EV), comenzando con la serie Mercedes-Benz Clase G.

En una entrevista con Fastmarkets, Yushin profundizó en los desarrollos que hicieron que el NCS de la compañía fuera viable para ánodos predominantemente de silicio y lo que el material ofrece a los fabricantes de baterías y vehículos eléctricos.

Yushin cree que la tecnología podría ayudar a aliviar la escasez de suministro y la disparidad geográfica en la producción de otra materia prima clave para baterías (BRM): el grafito.

A diferencia de la mayor parte del grafito del mundo, el NCS de Sila se fabrica en EE. UU., lo que significa que está alineado con el renovado impulso occidental para asegurar las cadenas de suministro de más materias primas, especialmente aquellas críticas para la transición energética.

Si bien el silicio y sus compuestos se han utilizado anteriormente en cantidades limitadas en ánodos, son desarrollos más recientes los que han permitido que el material se use en concentraciones más altas en ánodos, superando desafíos relacionados especialmente con la degradación de las baterías.

Al ofrecer una mayor capacidad en comparación con el grafito utilizado tradicionalmente, los electrodos basados ​​en NCS son más delgados, lo que reduce la distancia de difusión de los iones de litio y ayuda a generar beneficios en costos, explicó Yushin.

La tecnología también ofrece una mayor densidad de energía (Titan Silicon aumenta la densidad de energía hasta en un 40%) y una carga más rápida en comparación con las baterías de iones de litio (LIB) basadas en grafito actuales, dijo.

Yushin calculó que, en su límite, el coste de las LIB de ánodo de grafito se mantendrá en torno a los 100 dólares/kWh a nivel de paquete.

Los ánodos y cátodos NCS de próxima generación de Sila, dijo Yushin, "ayudarán a reducir los costos del paquete LIB hasta $50/kWh, convirtiéndolo en una tecnología adecuada para impulsar el floreciente mercado de vehículos eléctricos".

El equipo de modelado de costos de celdas de Fastmarkets estima que el ánodo generalmente representa entre el 10% y el 15% del costo total de una celda típica de níquel-cobalto-manganeso (NCM), y el cátodo contribuye entre el 50% y el 60%.

“Si bien las mejoras en el ánodo son importantes para la carga rápida, la vida útil y el rendimiento general, son los avances en el lado del cátodo (así como la reducción de los precios de las materias primas del cátodo) los que realmente reducirán el costo general de la celda. Mejorar los procesos de fabricación y minimizar el desperdicio en las gigafábricas también desempeñará un papel importante”, dijo Muthu Krishna, modelador de costos de celdas de Fastmarkets.

"La densidad de energía de la celda depende tanto del ánodo como del cátodo, principalmente de sus capacidades y de sus potenciales electroquímicos", dijo Yushin.

"El NCS de capacidad ultraalta, en combinación con cátodos de próxima generación, permitirá duplicar la densidad de energía... Esto significa que se necesitarían un 50% menos de celdas para que el paquete LIB ofrezca aproximadamente la misma energía", dijo.

Según Yushin, el tamaño y el precio de un paquete LIB serían aproximadamente un 50% más pequeños.

"Tenga en cuenta que los mismos cátodos de próxima generación no pueden ofrecer importantes mejoras de rendimiento cuando se combinan con ánodos de grafito", dijo.

Estos avances han llevado a un cambio importante en la forma en que se perciben los ánodos basados ​​en silicio.

"Hace una década, debido a las dificultades científicas y tecnológicas para superar numerosos desafíos técnicos, la mayoría de la gente en la industria no creía que los ánodos de silicio pudieran convertirse en realidad pronto", dijo Yushin.

"La principal pregunta que escuchamos ahora es qué tan rápido podemos aumentar la producción de Titan Silicon para satisfacer las demandas de nivel de TWh", añadió.

En los últimos años, algunas empresas líderes de baterías comenzaron a introducir pequeñas cantidades de material de óxido de silicio producido en Japón o China en ánodos de grafito para mejorar ligeramente la densidad o tasa de energía de LIB y al mismo tiempo evitar una degradación excesiva.

Sin embargo, la idea de ánodos predominantemente de silicio estaba fuera de discusión, dijo Yushin.

"Ahora, Titan Silicon se puede utilizar en más del [50% en peso] o reemplazar completamente el grafito en los ánodos", dijo.

El ciclo de vida de las células automotrices del ánodo NCS de Sila es similar al de las células automotrices basadas en grafito o a las células automotrices que comprenden grafito o están dopadas con pequeñas cantidades de óxido de silicio, dijo.

Sila no es la única empresa que ve promesas en materiales a base de silicio para ánodos.

En 2020, el fabricante de vehículos eléctricos Tesla anunció que utilizaría mayores cantidades de silicio en los ánodos de sus baterías en comparación con el grafito predominante.

En particular, la compañía dijo en ese momento que utilizaría silicio metálico en lugar de los materiales de silicio más costosos para fabricar sus ánodos.

En aquel momento, los participantes tanto en el mercado del silicio metal como en el del grafito minimizaron el impacto que esto podría tener en los respectivos mercados.

La producción mundial relativamente dispersa de silicio ayuda a convertirlo en una alternativa atractiva a otros materiales anódicos. Entre Estados Unidos y Canadá, la producción norteamericana de silicio metálico ronda las 200.000 toneladas al año, estima Fastmarkets.

A pesar de la positividad general, Yushin identificó un desafío inminente particularmente desalentador para la adopción del silicio y de los BRM en general: el suministro.

"Los nuevos desafíos tienen que ver con el suministro, específicamente el suministro de regiones geográficamente diversas", dijo.

La mayor parte del silicio del mundo se produce en China, aunque esta mayoría es mucho menos significativa que para la producción de otros BRM críticos, incluidos el grafito y el cobalto, de los cuales China también refina una mayoría global.

Las empresas occidentales están tomando medidas para llenar este vacío de producción. En una entrevista con Fastmarkets a principios de este año, Sinova Global compartió que producirá silicio en América del Norte para ayudar a satisfacer la demanda adicional de silicio, incluidos los ánodos de batería.

Yushin señaló acciones legislativas, incluida la Ley de Reducción de la Inflación (IRA), que demuestra que Estados Unidos y Occidente están "despertando" al hecho de que un "porcentaje masivo" de los precursores de todos los materiales de entrada de las baterías llegan a Occidente de China.

"Cuando pensamos en la tecnología de baterías como el camino para reemplazar los combustibles fósiles, el petróleo y el gas, no queremos depender de naciones extranjeras para el suministro crítico de nuestros recursos energéticos", dijo.

Si bien acogió con agrado los incentivos económicos introducidos por el IRA para producir precursores, materias primas y eventualmente materiales para electrodos para LIB a nivel nacional y en países de libre comercio, Yushin señaló los continuos obstáculos para asegurar capital y el proceso regulatorio para establecer nuevas fábricas y minas.

"A pesar de tener muchos recursos naturales en Estados Unidos, todavía existen obstáculos regulatorios en torno a cosas como la construcción de nuevas minas, por ejemplo", dijo.

"Desde el punto de vista económico, es posible que también debamos considerar el acceso a grandes capitales y bajas tasas de interés para estimular inversiones estratégicamente importantes tanto en materias primas como en procesamiento de materiales para baterías, ya que China ya las ofrece a las industrias chinas relacionadas con las baterías", añadió.

"Todavía tenemos que llegar a un lugar donde sea más fácil conseguir capital y construir esas fábricas y minas porque, de lo contrario, la cadena de suministro realmente no va a cambiar", afirmó.

Informes anteriores de Fastmarkets encontraron que sigue habiendo confusión sobre la elegibilidad de los materiales para calificar para los incentivos financieros que ofrece la IRA, específicamente en lo que respecta a los orígenes del material.

La falta de claridad ha frenado las inversiones vinculadas a IRA, según Abigail Wulf, vicepresidenta y directora del Centro de Estrategia de Minerales Críticos Securing America's Future Energy (SAFE).

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