El litio es un metal de propiedades especiales que lo hacen difícil de manejar, ya que se oxida rápidamente en atmósfera de aire húmedo, y a la vez atractivo para aplicaciones que sólo en los próximos años el desarrollo de la tecnología permitirá llevar a cabo a escala industrial.

Es en los últimos 15 años que el litio ha pasado a ser un metal de tecnologías avanzadas. Tres rubros deben ser mencionados en este sentido, todos ellos relacionados directa o indirectamente con la energía y por tanto representarán productos de alta demanda una vez que se desarrolle la tecnología necesaria. Estas son las baterías basadas en materiales que contienen litio, las aleaciones de litio-aluminio y el empleo del litio como alimentador en la producción de tritio para los reactores de fusión nuclear.


Aleaciones de litio-aluminio

Se emplean en la construcción de la estructura de aviones. La adición, bajo ciertas condiciones. de un 3% de litio al aluminio produce una fase metálica mucho más resistente y liviana que las aleaciones de acero y titanio, empleadas actualmente en la industria aeronáutica. El Departamento de Energía de Estados Unidos ha estimado que la próxima generación de aviones comerciales estará construida de aleaciones de litio-aluminio y que ello permitirá ahorrar sumas sustanciales de combustible con respecto al consumo actual. Por otro lado, la fabricación de dichas aleaciones conlleva dificultades tecnológicas enormes, principalmente el enfriamiento super rápido del fundido que debe ser un millón de grados centígrados por segundo para asegurar la formación de la fase mencionada.


Reactores de fusión nuclear

El empleo del litio como alimentador de tritio es la que tecnológicamente esta más lejana. Dos núcleos de hidrógeno, el deuterio y el tritio se fusionan para producir un elemento más pesado, el helio. Esta reacción produce una temperatura igual a la del sol, es decir, unos 110 millones de grados centígrados, y requiere para iniciarse una temperatura interior. Aparte de dificultades que conlleva producir y controlar una reacción tan energética como ésta, existe el problema del combustible. El tritio es sumamente escaso. Todas las reservas naturales existentes no ascienden a más de 10 kilos, lo que alcanzaría para producir, por fusión nuclear, el 20% de la energía que requiere anualmente Estados Unidos. Una forma de producir tritio, la más viable comercialmente, es a partir de litio en un reactor de fusión. Las estimaciones indican, por un lado, que podrían haber reactores comerciales en unos 30 a 40 años más y por otro que de ocurrir esto la demanda de litio aumentaría entre 30 y 40 veces con respecto al consumo actual.

Aun hoy, sin embargo, estas tres aplicaciones ocupan una pequeña parte del mercado del litio (aproximadamente un 4%). La mayor parte del mercado está cubierto por aplicaciones más convencionales, como el uso de aditivos de litio en la producción de aluminio; fabricación de materiales cerámicos, vidrios, etc.; empleo de litio en grasas lubricantes y en síntesis de productos químicos.


El litio en Chile

Otros factores que deben mencionarse están relacionados con las grandes ventajas que Chile posee en sus yacimientos de litio . Más del 45% de las reservas mundiales conocidas de litio están ubicadas en el salar de Atacama en forma de salmueras. El litio está presente en concentraciones que son alrededor de diez veces superior a aquellas concentraciones encontradas en los salares norteamericanos. Por otro lado, un estudio reciente de la Universidad de Chile señala que la rentabilidad de construir y operar una planta de litio en el salar de Atacama es aproximadamente tres veces mayor que hacerlo en una mina de minerales pegmatíticos en Estados Unidos. Si se considera adicionalmente que hay otros elementos valiosos en el salar que deben ser extraídos conjuntamente con el litio, tales como el potasio y el magnesio, las ventajas de Chile en la explotación de estos yacimientos es enorme. Se explica, entonces, que haya habido tanto interés por parte de compañías extranjeras en participar en la licitación que CORFO llevó a cabo para el proyecto de sales potásicas en el salar de Atacama.

Debe agregarse que el mercado mundial de los productos químicos, es decir, de la materia prima producida en las plantas de extracción de litio, es pequeña. No supera los 100 millones de dólares. El gran porvenir de este metal está en los productos industriales elaborados de litio, en especial en las tres aplicaciones mencionadas, que según todas las proyecciones tendrá una expansión muy rápida durante un plazo prolongado de varias décadas. Realizar en Chile sólo lo que es la explotación de nuestros yacimientos sería entonces río sólo un error, sino que constituirían un regalo a los países industrializados.

A partir de los factores mencionados es que se hace interesante examinar las posibilidades de participar en el desarrollo y elaboración de esas tecnologías.


Las baterías

La primera aplicación que mencionamos fueron las baterías y pilas basadas en materiales que contienen litio. Estas son más duraderas, más confiables y pueden desarrollar más potencia que las baterías convencionales basadas en otros materiales. Será seguramente una batería de litio la que opere comercialmente en autos eléctricos, en reemplazo del motor de combustión. Pero introducir autos eléctricos a nivel masivo no depende sólo de la tecnología de las baterías, sino también del precio del petróleo y de otros factores. Aún hoy persisten problemas de corrosión de materiales, resistencia de separadores, cohesión de los electrodos mismos, etc. Esta batería (de litio-aluminio/fierro) contiene en su interior más de 15 materiales que deben interactuar a temperaturas cercanas a 500 grados centígrados en ciclos que deben repetirse unas 1 200 veces. La elección de estos materiales ha requerido conocer el comportamiento que presentan cuando pasan altas corrientes a través de ellos.

Fue recién en la década de los 60 que se reconoció la existencia de materiales sólidos que permitían un flujo alto de iones, de tal manera que su composición cambiaba en forma continua, además de ser este proceso reversible en algunos de ellos. Se denominó a estos materiales, superconductores iónicos. Ellos permiten mantener altas corrientes eléctricas por largos períodos de tiempo. Y como el ión de litio tiene un tamaño extremadamente pequeño y es además el ión más liviano de todos los metales, es posible introducirlo en grandes cantidades en estos materiales sin que estos se saturen. Esta es la propiedad que permite a las baterías de litio tener una alta densidad de energía, es decir, almacenar mucha carga eléctrica en un volumen y también en una masa pequeña. Del mismo modo, esta propiedad permite que los iones de litio se muevan muy rápidamente dentro del superconductor, es decir, le confiere una alta densidad de potencia. Por otro lado, el litio, debido a su configuración electrónica, es el elemento que tiene un potencial electroquímico más alto y por tanto en un par de electrodos es el que da mayor voltaje a una pila o batería.

Traduciendo estos factores al funcionamiento de un automóvil, la alta densidad de energía permite que el automóvil llegue más lejos con una batería de litio que con otro tipo de baterías. La mayor densidad de potencia le permite una aceleración y una fuerza mayor.

El estudio de estos problemas se denomina iónica del estado sólido y su desarrollo es reciente debido a la gran especialización experimental requerida. El desarrollo de esta rama de la ciencia también ha significado dar un nuevo impulso a la física de sólidos, para poder predecir desde un punto de vista teórico cuáles son los factores que harán que tal o cual materia sea un buen conductor iónico y como debe calcularse la difusión de un ión dentro de un sólido de compleja estructura.

Esto ha conducido a hablar del diseño de materiales, diseño de su microestructura, de su estructura atómica, molecular o cristalina y no de su forma externa.


Combustión electroquímica

A fines del siglo pasado, cuando se desarrolló el motor de combustión interna, la batería ya había sido inventada. Entonces el desarrollo de las tecnologías de combustión y de energía electroquímica era comparable. Por motivos tecnológicos y económicos, sin embargo, se decidió desarrollar el motor de combustión. Miles de millones de dólares fueron invertidos con tal objeto con el resultado que hoy conocemos.

La industria de los países desarrollados está dispuesta a invertir hoy enormes sumas en patrocinar un Campeonato de Formula Uno. El motor de uno de estos automóviles ha alcanzado una atomización en el peso de los materiales empleados y en la energía consumida en el proceso de combustión. Asimismo, ha sido maximizada la potencia desarrollada por el motor tanto como la resistencia de los materiales que emplea al calor, la tensión, corrosión, etc.

El motor de combustión interna tiene, sin embargo, limitaciones intrínsecas en su capacidad de transformar el calor proporcionado por la combustión en energía mecánica. Esta limitación está expresada en el segundo Principio de la Termodinámica: un motor ideal no puede transformar todo el calor en trabajo. La eficiencia del motor está dada por el calor entregado al motor dividido por el trabajo desarrollado por este. Si se considera que adicionalmente un motor real es menos eficiente que un motor ideal, y que además el proceso de producir calor (es decir, quemar el combustible) lleva consigo una eficiencia dada, resulta que todas estas contribuciones deben sumarse y el resultado es que hoy no hay ningún motor de combustión interna en un vehículo que funcione a más de 30% de eficiencia. O sea, que al utilizar bencina en un automóvil, estamos aprovechando sólo el 30% de su valor energético. Pero además, estamos contaminando el medio ambiente con gases dañinos y con ruido. Desde el punto de vista ecológico, estos tres factores constituyen una aberración de la civilización moderna.

Existen, sin embargo, alternativas al motor de combustión en automóviles. La más relevante y con mayor posibilidades de éxito es desarrollar la economía del hidrógeno, elemento abundante en la naturaleza y excelente combustible. Basta con descomponer el agua para producir hidrógeno. Este puede ser almacenado por largos períodos, transportado a largas distancias, etc. La combustión del hidrógeno se puede producir de vanas maneras. Con el oxígeno del aire reacciona rápidamente para dar calor.

El problema es que después debemos comenzar nuevamente el proceso del motor de combustión.. El hidrógeno también puede combustionarse en forma electroquímica o fría. Se hace pasar por un electrodo (material) en donde se facilita su transformación de molécula diatómica en átomo, para posteriormente oxidarse a un protón en solución. Este protón reacciona rápidamente con aniones oxígeno para dar agua. La electricidad surge directamente, sin necesidad de pasar por intermedio del ciclo calor-trabajo mecánico-electricidad.

La eficiencia del proceso electroquímico puede ser tan alta como 80%, es decir, dos y media veces más eficiente que el motor de combustión, no produce contaminación ambiental y además es un proceso silencioso. Es posible producir también combustión fría de otros compuestos tales como derivados del alcohol. El artefacto que transforma hidrógeno y aire directamente en electricidad se llama pila de combustible y ha sido empleado en todas las misiones espaciales para proporcionar energía a la nave y agua a sus tripulantes. La batería es el pariente más cercano de la pila o celda de combustible. Puede ser recargada por ésta y servir como fuente de alta potencia para un motor eléctrico. Uno de los diseños preferidos para el automóvil eléctrico emplea un sistema híbrido, de batería y pila de combustible. Esta puede ser recargada rápidamente en una estación de servicio y es capaz de suministrar energía por largos períodos de tiempo sin variar mucho su potencia. La batería, en cambio, se demora en cargarse, pero una vez que lo ha hecho puede entregar mucha potencia en cortos períodos de tiempo, imprimiendo de esta manera la aceleración necesaria en los automóviles. La eficiencia de conversión de energía de una batería puede ser cercana a 100%.

La batería de plomo ácido, empleada profusamente, tiene un rango de potencia y energía por lo menos tres veces menor que el mejor sistema de batería basada en litio-aluminio-sulfuro de fierro. Este tipo de baterías tiene además una gran aplicación en la nivelación de carga de redes eléctricas, es decir, en el almacenamiento de energía en horas de bajo consumo y en la entrega de esta energía en horas de alto consumo. De esta manera puede disminuir considerablemente el tamaño de la planta de generación de energía eléctrica.

El litio también encuentra aplicación en baterías de baja potencia, pero de alta duración y confiabilidad. Estas son por ejemplo las requeridas en los marcapasos, relojes y otros instrumentos de precisión. Ultimamente, se instalaron también baterías de litio en los misiles intercontinentales norteamericanos Minuteman.

Los elementos que han sido mencionados explican. en alguna medida, el interés actual en las tecnologías del litio e indican que lo que se logre en Chile en esta materia podría ser de considerable importancia económica en el futuro.



Gustavo Lagos Cruz-Coke

Departamento de ingeniería de minas.

Facultad de ciencias físicas y matemáticas universidad de chile (1984).