Refinado electroquímico de litio: cómo Enso contribuye a la producción de LiOH

En el primer artículo de esta serie, analizamos por qué el refinado del litio y el reciclaje del litio están cobrando cada vez más importancia para las baterías, la movilidad eléctrica y el almacenamiento de energía. A medida que crece la demanda de litio, el reto ya no se limita a garantizar el suministro de materias primas, sino que también implica transformar los flujos que contienen litio en materiales de alta calidad para baterías mediante procesos eficientes, escalables y cada vez más circulares.

Este segundo artículo analiza más detenidamente la tecnología que hay detrás de esa transformación.

La vía electroquímica parte de un principio sencillo: el litio puede estar presente en diferentes corrientes de sales, y esas sales pueden separarse mediante electrólisis para obtener hidróxido de litio (LiOH).

En el procesamiento del litio, hay dos sales especialmente relevantes: el cloruro de litio (LiCl) y el sulfato de litio (Li₂SO₄). El cloruro de litio puede obtenerse a partir de salmueras, incluidas las extraídas de yacimientos de salares. El sulfato de litio, por el contrario, se genera normalmente mediante el tratamiento de minerales de roca dura, como el espodumeno, o puede aparecer en flujos asociados al reciclaje de baterías.

En ambos casos, la tecnología de De Nora está diseñada para convertir la sal de litio en hidróxido de litio monohidratado, la forma utilizada en aplicaciones de baterías. La configuración del electrolizador varía en función de la sal: para el cloruro de litio se utiliza una célula de dos compartimentos, mientras que para el sulfato de litio se suele emplear una célula de tres compartimentos.

Esta flexibilidad es importante porque Enso no se limita a una única materia prima de litio. Forma parte de una plataforma más amplia de separación de sales que puede aplicarse a diversos flujos industriales, con el objetivo de convertir las sales en productos químicos de valor y reducir los residuos.

Cuando la materia prima es el cloruro de litio, el proceso utiliza una célula electroquímica de dos compartimentos.

El cloruro de litio se introduce en el lado anódico de la célula. Durante la electrólisis, se genera cloro gaseoso en el ánodo. El ion de litio migra a través de una membrana de intercambio catiónico hacia el compartimento catódico, donde se combina con iones hidróxido para formar hidróxido de litio. En el cátodo también se produce hidrógeno.

La reacción global puede resumirse así:

2LiCl + 2H₂O → 2LiOH + Cl₂ + H₂

El valor industrial del proceso no reside únicamente en la producción de LiOH, ya que también es posible valorizar los subproductos. El cloro y el hidrógeno pueden recombinarse para producir ácido clorhídrico, que puede reutilizarse en etapas anteriores del proceso.

Este es uno de los elementos de circularidad del proceso: en lugar de utilizar productos químicos costosos, que generan flujos de residuos que deben gestionarse o eliminarse, la vía electroquímica puede producir flujos que son potencialmente útiles dentro de la cadena de procesamiento del litio en su conjunto.

Cuando la materia prima es el sulfato de litio, el proceso suele requerir una célula de tres compartimentos.

En esta configuración, el sulfato de litio se introduce en el compartimento central. Mediante el proceso electroquímico, se produce hidróxido de litio en el cátodo, mientras que en el ánodo se forma ácido sulfúrico. También se generan oxígeno e hidrógeno como parte del proceso.

La reacción global puede resumirse así:

Li₂SO₄ + 3H₂O → 2LiOH + H₂SO₄ + ½O₂ + H₂

La producción de ácido sulfúrico es especialmente relevante, ya que este ácido puede reutilizarse en operaciones previas, por ejemplo, en el tratamiento de minerales de litio de roca dura, como el espodumeno. De este modo, la etapa electroquímica puede contribuir a un proceso más integrado, en el que los productos químicos generados en una etapa se reutilizan en otra.

Esto hace que el procesamiento del sulfato de litio sea especialmente relevante no solo para el refinado primario, sino también para las vías de reciclaje, en las que se pueden recuperar corrientes que contienen litio tras el tratamiento de los materiales de las baterías al final de su vida útil.

La producción convencional de hidróxido de litio puede implicar varias etapas químicas. Dependiendo de la materia prima, estas pueden incluir la precipitación, el lavado, la conversión en carbonato de litio, una reacción posterior para obtener hidróxido de litio, la purificación y una o más etapas de cristalización.

La vía electroquímica tiene como objetivo simplificar esta cadena.

En el caso del cloruro de litio, la comparación interna de procesos realizada por De Nora muestra que varias etapas de la ruta convencional pueden sustituirse por una única etapa de electrólisis. En la ruta convencional, el cloruro de litio puede convertirse primero en carbonato de litio, que a continuación se cristaliza, se lava, se convierte en hidróxido de litio y se purifica aún más. Con la conversión electroquímica directa, la salmuera purificada puede introducirse en el electrolizador y convertirse directamente en hidróxido de litio.

En el caso del sulfato de litio, se aplica la misma lógica. La ruta electroquímica permite evitar las etapas intermedias de precipitación de sólidos y lavado, al tiempo que produce hidróxido de litio y ácido sulfúrico en un único proceso.

Los beneficios potenciales se refieren tanto a los gastos de capital (Capex), es decir, la inversión necesaria para construir la planta, como a los gastos de explotación (Opex), es decir, el coste de su funcionamiento a lo largo del tiempo.

En primer lugar, un menor número de etapas del proceso puede suponer un menor Capex, ya que la planta requiere menos unidades y presenta una menor complejidad de proceso. En segundo lugar, reducir el uso de reactivos químicos a granel puede ayudar a reducir el Opex, en función de los precios de la electricidad, los costes de los reactivos y los costes de eliminación de residuos. En tercer lugar, el proceso puede reducir o evitar algunos subproductos de desecho asociados a las vías convencionales, sustituyéndolos por flujos químicos que pueden recuperarse o reutilizarse.

La tecnología en la que se basa el enfoque de De Nora para el refinado y la recuperación de litio es Enso.

Enso es un electrolizador de dos o tres compartimentos diseñado para procesos de descomposición de sales. En las aplicaciones relacionadas con el litio, esto implica convertir el cloruro de litio o el sulfato de litio en hidróxido de litio monohidratado. En términos más generales, Enso puede aplicarse a otras corrientes de sales, como el sulfato de sodio, el carbonato de sodio, el sulfato de amonio, las sales de TMA y el cloruro de sodio.

Una de las características más importantes de Enso es su origen industrial. Su diseño se basa en la amplia experiencia de De Nora Japón en cloro-álcali, litio y otros procesos electroquímicos de alta resistencia. El cloro-álcali es un proceso electroquímico industrial a gran escala, y esta experiencia es fundamental para la fiabilidad y la solidez de la plataforma.

Esta es una diferencia significativa. Enso no es un dispositivo de laboratorio que De Nora esté intentando ampliar a escala industrial. Se deriva de los conocimientos electroquímicos industriales desarrollados para entornos operativos exigentes. Esto es importante porque el refinado y el reciclaje de litio requieren no solo rendimiento químico, sino también fiabilidad a largo plazo, facilidad de mantenimiento, seguridad y operatividad.

Como señala Michele Sponchiado, director de Desarrollo Empresarial de la Unidad de Negocio de Transición Energética e Hidrógeno de De Nora: «Este es uno de los puntos fuertes del equipo. Se diseñó para grandes plantas de cloro-álcali. No es algo desarrollado en el laboratorio y luego ampliado a mayor escala. Nació para instalaciones industriales grandes y exigentes, por lo que es muy fiable y ofrece un alto rendimiento».

La gama Enso de De Nora está diseñada para acompañar a los clientes a lo largo de todo el proceso de ampliación de escala.

La configuración Lab se utiliza para la recopilación inicial de datos. Permite a De Nora y al cliente comprobar los requisitos de pretratamiento de la salmuera, las condiciones de funcionamiento y la pureza del producto. Esta fase es importante porque las corrientes que contienen litio pueden variar significativamente en función de su origen, y la calidad de la salmuera que se introduce en la etapa electroquímica es un factor crítico.

La configuración Demo se utiliza para la optimización del proceso, el análisis, el desarrollo y la validación final. Puede instalarse en las instalaciones del cliente y funcionar de forma continua con la corriente de proceso real, lo que proporciona datos más representativos sobre el rendimiento, el consumo energético y la calidad del producto.

A partir de ahí, la tecnología puede ampliarse a escala comercial mediante las configuraciones Plant y Plant XL. Se trata de los tamaños de producto industriales destinados a su implantación a gran escala.

La elección entre las distintas configuraciones depende de la aplicación. Para las celdas de tres compartimentos, De Nora suele utilizar el tamaño «Plant», en parte debido a las limitaciones actuales en el tamaño de las membranas de intercambio aniónico disponibles en el mercado. Para las celdas de dos compartimentos, se puede utilizar «Plant XL» siempre que sea posible, ya que su mayor superficie activa puede mejorar el rendimiento económico a gran escala.

Sponchiado describe la lógica de esta vía como una forma de reducir el riesgo de ampliación de escala: «Podemos acompañar al cliente desde las pruebas de laboratorio hasta la instalación industrial. La célula intermedia es fundamental porque puede funcionar de forma continua con la salmuera real del cliente, y los resultados se utilizan luego para ampliar la escala a células industriales».

Esta vía estructurada de ampliación de escala es especialmente importante en las aplicaciones de litio, donde las diferentes materias primas y perfiles de impurezas pueden afectar al rendimiento del proceso.

A medida que se amplía la escala de los procesos electroquímicos, el consumo de energía se convierte en una variable clave. Esto es especialmente cierto en regiones donde los precios de la electricidad son elevados.

Por este motivo, De Nora puede ofrecer una opción tecnológica adicional: el cátodo despolarizado por oxígeno, o ODC. Esta tecnología permite reducir la tensión de la célula y, por lo tanto, disminuir el consumo específico de energía del proceso.

Al mismo tiempo, las aplicaciones de litio de De Nora están pasando de la fase de desarrollo a la de implantación industrial. Los proyectos públicos y confidenciales muestran cómo la tecnología puede aplicarse tanto al procesamiento de litio primario como a la recuperación de baterías de iones de litio usadas.

En una configuración convencional, el hidrógeno se produce en el cátodo. En algunas instalaciones industriales, es posible que este hidrógeno no tenga un uso directo. Si no se puede aprovechar, se convierte en un flujo que hay que gestionar.

La tecnología ODC ofrece una alternativa. En lugar de producir hidrógeno en el cátodo, la pila está diseñada para consumir oxígeno. Esto modifica la reacción catódica y reduce la tensión de la pila. Dado que el consumo de energía está directamente relacionado con la tensión de la pila, esto puede reducir significativamente la energía específica que requiere el proceso.

Un documento interno de De Nora compara un cátodo que desprende hidrógeno con un electrodo de difusión de gas que consume oxígeno. La configuración ODC reduce los requisitos energéticos en el caso de referencia mostrado, lo que la hace especialmente relevante cuando el coste de la electricidad es un factor importante.

Sponchiado explica el principio en términos prácticos: «En lugar de generar hidrógeno en el cátodo, se consume oxígeno. La consecuencia es que la tensión de la célula desciende entre 0,7 y 0,8 voltios, por lo que el consumo específico de energía disminuye sustancialmente».

La tecnología de separación de litio y sal de De Nora ya se está aplicando en proyectos industriales.

Un ejemplo público es Mangrove Lithium, un proveedor de tecnología que ha desarrollado un proceso electroquímico patentado para convertir el litio procedente tanto de la minería como del reciclaje de baterías usadas en hidróxido de litio de alta calidad apto para baterías. De Nora Japón suministra el electrolizador en pila, que constituye el núcleo de la plataforma electroquímica de refinado de litio de Mangrove. La aplicación abarca la conversión de LiCl/Li₂SO₄ en LiOH·H₂O, con una capacidad prevista de 1.000 toneladas al año y cuya puesta en marcha está prevista para 2026.

Otro caso público es Tuleva, una empresa estadounidense dedicada a la producción sostenible de materiales para energías limpias. De Nora suministrará una planta completa compuesta por dos sistemas de electrólisis bipolar con membranas de intercambio iónico. La planta, que se construirá en Arkansas, está diseñada para una capacidad total de 11 000 toneladas al año de LiOH·H₂O, con una ejecución prevista para 2026/27 y su puesta en marcha en 2028.

Estos proyectos demuestran cómo Enso puede apoyar la transición del desarrollo de procesos a la implantación comercial.