Escalamiento teórico de una celda electroquímica para la obtención de litio metálico mediante electrólisis de sales fundidas

Abstract

El aumento en la demanda de energía a nivel mundial, junto con el cambio climático, provoca un interés por buscar nuevas fuentes de energía con un menor impacto ambiental. En este contexto, se espera que la industria automotriz desarrolle vehículos que ocupen baterías recargables con ánodos de litio puro, por lo que se proyecta que la demanda por este metal aumente en los próximos años. SQM Salar S.A. es una empresa líder en la producción de sales de litio, la cual busca producir litio metálico a partir de la electrólisis de sales fundidas. Por esta razón, el objetivo general de esta memoria de título fue realizar un escalamiento teórico de una celda de electrólisis de sales fundidas (eutéctico LiCl/KCl) para la obtención de litio, incluyendo el estudio de su factibilidad económica e impacto ambiental. Para esto se implementó un modelo cero dimensional que representa la fenomenología electroquímica de una celda en función de la temperatura y potencial de operación, y se estimaron los costos asociados. El caso base considera una producción de 14.700 t año-1 de este metal. Los resultados del modelo cero dimensional muestran que el potencial de celda depende principalmente del potencial de Nernst y de los sobrepotenciales de activación, siendo responsables de aproximadamente el 80% del potencial total. Además, para una corriente de operación de 5.000 A, el potencial de celda disminuye desde los 13,41 V hasta los 5,77 V al aumentar la temperatura desde 400 °C a 600 °C. Por otro lado, los sobrepotenciales de concentración son despreciables dada las altas concentraciones de las especies iónicas. El principal problema en la capacidad predictiva del modelo radica en los datos experimentales usados para determinar los sobrepotenciales de activación. El balance de energía indica que los flujos más relevantes son los asociados al efecto Joule y a calentar el flujo de entrada a la celda. Las condiciones de operación que minimizan el flujo de calor neto asociado a la celda son para una densidad de corriente de 6.600 A m-2, una temperatura de 401,51 °C y un potencial de celda de 16,40 V. Con esto, el número total de celdas requeridas para cumplir con el caso base es de 1.171. El análisis económico para las condiciones escogidas muestra que el CAPEX es de aproximadamente USD 108.000.000 mientras que el OPEX alcanza un costo anual en torno a los USD 569.000.000. De este último, el mayor costo es por calentar el flujo de cloruro de litio. Por otro lado, el análisis ambiental indica que el cloro gaseoso, que es el principal subproducto generado, debe ser licuado y vendido para su disposición final.