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La producción de baterías ha desatado un interés en los árboles. Hace unos 8 años, un gran productor de papel finlandés se dio cuenta de que el mundo estaba cambiando. Entre otras cosas, el auge de los medios digitales, el declive de la impresión de oficina y menos personas que envían correo por correo ordinario significan que el papel ha entrado en un declive constante.
Baterías cargables provenientes de los árboles
La compañía Stora Enso de Finlandia afirma ser uno de los mayores propietarios de bosques privados del mundo. Por lo tanto, cuenta con una gran cantidad de árboles que se utilizan para producir productos de madera, papel y embalaje, entre otros.
La empresa contrató ingenieros para explorar la posibilidad de utilizar lignina, el polímero de lignina que constituye alrededor del 30 por ciento de la madera depende de la especie, el resto es mayoritariamente celulosa.
La lignina es el pegamento en los árboles que une las fibras de celulosa y hace que la madera sea muy fuerte, explica Lauri Lehtonen, Gerente de Soluciones de Baterías Lignode de Stora Enso.
La lignina contiene carbono. El carbono es un material excelente para una parte importante de una batería llamada ánodo. Es casi seguro que la batería de iones de litio de su móvil contenga un ánodo de grafito. Este elemento es un tipo de carbono con una estructura en capas, explica Lehtonen.
Mayor demanda de baterías
Los ingenieros de StoraEnso creen que pueden extraer lignina de la pulpa producida en algunas de las plantas de la empresa y procesarla en material de carbono para ánodos de baterías. La compañía ha unido fuerzas con la empresa sueca Northvolt y tiene previsto iniciar la producción de baterías a partir de 2025.
Se espera que la demanda mundial de baterías crezca significativamente en los próximos años a medida que más personas compren automóviles eléctricos y almacenen energía en el hogar. Como lo ve Lehtonen, la demanda es increíble. En 2015, la reserva mundial de baterías requeriría unos cientos de gigavatios hora (GWh) adicionales por año, pero para 2030 esto aumentará a miles de GWh necesarios por año. A medida que el mundo se aleja de los combustibles fósiles, según la consultora McKinsey.
El problema es que las baterías de iones de litio actuales dependen en gran medida de procesos industriales y mineros perjudiciales para el medio ambiente. Además, algunos materiales de estas baterías son tóxicos y difíciles de reciclar. Muchos también provienen de países con políticas débiles de protección de los derechos humanos.
Los árboles serán la clave para las baterías
Por ejemplo, la producción de grafito sintético requiere calentar el carbón a temperaturas de hasta 3000 °C durante semanas. Generalmente proviene de centrales eléctricas de carbón en China, según la consultora Wood Mackenzie. Por lo tanto, los árboles serán clave.
Se buscan materiales de batería sostenibles ampliamente disponibles. Algunos dicen que podemos encontrarlos en los árboles. En general, todas las baterías requieren un cátodo y un ánodo, que son los electrodos positivo y negativo, respectivamente, entre los cuales fluyen partículas cargadas llamadas iones.
Por ejemplo, cuando se carga una batería, los iones de litio o sodio se transfieren del cátodo al ánodo, donde se almacenan en un vehículo de varios pisos, como un automóvil, explica Jill Pestana, científica de baterías e ingeniera en California que trabaja como consultor independiente. La propiedad más importante que se debe buscar en una estructura de almacenamiento para este material es que pueda absorber fácilmente litio o sodio y liberarlo en lugar de descomponerse, explicó.
Alternativas enfrentadas al desafío
Cuando una batería se descarga para alimentar un dispositivo como un automóvil eléctrico, los iones regresan al cátodo después de liberar electrones. Luego, los electrones viajan a lo largo de los cables del circuito eléctrico, transfiriendo energía al vehículo.
Según Pestana, el grafito es un material atractivo porque funciona bien como un ánodo confiable que permite que ocurran tales reacciones. Las alternativas, incluidos los andamios de carbono derivados de la lignina, enfrentan el desafío de probar sus funciones.
Sin embargo, varias empresas están explorando el potencial de la lignina en el desarrollo de baterías, como Bright Day Graphene de Suecia, que produce grafeno, otra forma de carbono, a partir de la lignina. Lehtonen destaca los beneficios del material de ánodo de carbono de su empresa, que Stora Enso llama Lignode.
No dijo cómo la empresa convirtió la lignina en una estructura sólida de carbono, o exactamente cuál era esa estructura. Pero dice que el proceso consiste en calentar la lignina, aunque la temperatura no es tan alta.
Si bien esto podría reducir el costo de los ánodos de carbono derivados de la lignina, se muestra escéptico de que puedan competir comercialmente con los ánodos de grafito.
Simplemente no creo que vaya a ser un cambio lo suficientemente grande en términos de costo o rendimiento para reemplazar el grafito familiar, dijo.
También está el tema de la sostenibilidad
Chelsea Baldino, investigadora del Consejo Internacional de Transporte Limpio, dijo que mientras la lignina utilizada para fabricar ánodos se obtenga como subproducto del proceso de fabricación de papel, no se talarán más árboles para fabricar baterías. Un portavoz de Stora Enso confirmó que toda la lignina que la empresa utiliza actualmente es un subproducto del proceso de producción de celulosa y que su uso no aumentará la tala de árboles ni la cantidad de madera utilizada para hacer pasta.
Pero Pestana agregó que cualquiera que esté pensando en hacer ánodos a partir de lignina necesita identificar la fuente de la lignina para que sea sostenible. Si la industria de la pasta no es sostenible, entonces el material en sí no se obtiene de forma sostenible, explicó.
Según el informe anual de 2021 de Stora Enso, la empresa conoce el origen de toda la madera que utiliza y el 100 % procede de fuentes sostenibles.
Hay al menos una forma de usar lignina en baterías que no sean ánodos
En abril, un equipo de investigadores en Italia publicó un artículo que describe sus esfuerzos para desarrollar un electrolito de lignina. Este es el componente que se encuentra entre el cátodo y el ánodo, ayuda a que los iones fluyan entre los electrodos, pero también mantiene los electrones en su camino a través del circuito eléctrico al que está conectada la batería.
En otras palabras, evita que los electrones simplemente salten entre los electrodos, lo que podría matar a su teléfono inteligente. Los polímeros de electrolitos se pueden obtener del petróleo, dice Gianmarco Griffini de la Universidad Politécnica de Milano.
Pero agrega que sería beneficioso encontrar fuentes alternativas y sostenibles en su lugar. El experto explicó que la idea de usar lignina surgió después de que él y sus colegas intentaron usar el material en paneles solares, lo que resultó ser un poco menos decepcionante. La eficiencia de las células solares es relativamente limitada porque la lignina es marrón, por lo que en realidad absorbe la luz, explicó. No importa en la batería. Para crear el ánodo, la lignina se trata con calor para descomponerla en carbono.
Viabilidad comercial
Pero Griffini, un experto en polímeros que se describe a sí mismo, dice que prefiere usarlo en forma de polímero. Con esto en mente, su equipo desarrolló un electrolito de polímero en gel que facilita el movimiento de iones en una batería de potasio experimental. Resultó muy bien, dijo. Queda por demostrar la viabilidad comercial de todas estas ideas.
En teoría, aún sería posible fabricar una batería que utilice polímeros de lignina en el electrolito y carbono derivado de la lignina en el ánodo. Tal vez incluso podría usarlo para alimentar los últimos dispositivos electrónicos de celulosa de última generación, tecnología perfecta para su casa del árbol, ¿cierto? ¿O ya es suficiente?