VOL. 39, N.º 3, 2024
Lateritas de níquel Lixiviación a alta presión
Materias primas estratégicas y críticas
Potenciando el futuro Avances en las baterías de níquel
Por su longevidad y bajo mantenimiento, se especificaron 18 000 toneladas (16 329 toneladas métricas) de barras de refuerzo de acero inoxidable fabricadas en aleación dúplex 2304 (UNS S32304), para reforzar el hormigón en las partes críticas. La aleación 2304 es un material rentable que combina excelente resistencia, ductilidad y una buena tolerancia a los entornos marinos extremos. El túnel y puente de Hampton Roads utilizará más de 700 toneladas (635 toneladas métricas) de níquel.
Es el mayor proyecto de infraestructuras de transporte de la historia de Virginia (EE. UU.). La instalación del túnel y puente de Hampton Roads (HRBT, por sus siglas en inglés) se encuentra actualmente en un proceso de ampliación por valor de 3900 millones de dólares estadounidenses, y el acero inoxidable con níquel desempeña un papel fundamental, tanto bajo el agua como en la superficie, en este complejo y transformador proyecto. Compuesta por puentes, caballetes, islas artificiales y túneles, la HRBT tiene una longitud de 5,6 km (3,5 millas).
La HRBT fue una maravilla en 1957, cuando se instaló el primer túnel utilizando un método de tubo sumergido.
La ampliación incluye nuevos túneles gemelos y la adición de cuatro carriles más, hasta un total de ocho, para aumentar la capacidad y aliviar la congestión. Se eligieron materiales de alta durabilidad, como el acero inoxidable, para facilitar una vida útil de 100 años.
El proyecto de diseño y construcción es de una empresa conjunta de Dragados USA, Flatiron Constructors, Vinci Construction y Dodin Camperon Bernard, con HDR y Mott MacDonald como diseñadores principales.
La planificación del proyecto comenzó en 2014 e incluyó la ampliación de la calzada, 27 reemplazos y ampliaciones del puente, consideraciones geotécnicas y el cumplimiento de la normativa ambiental.
En 2023, la tuneladora comenzó a perforar los nuevos tubos de 14 m de diámetro (46 ft) a unos 15,2 m (50 ft) más de profundidad que los túneles de tubo de acero sumergido de 2,3 km (7500 ft) de longitud existentes. La tuneladora de 4700 toneladas (4264 toneladas métricas) conocida como «Mary» terminó de perforar el primer túnel este año, marcando un importante hito.
El mundo se esfuerza por descarbonizarse en respuesta al cambio climático y el níquel se ha erigido en pieza clave en la transición hacia una economía sostenible. A medida que los países se alejan de los combustibles fósiles, los gobiernos consideran que el níquel, un componente que desempeña un papel en casi todos los tipos de energía renovable, es fundamental para sus estrategias energéticas y económicas. Este reconocimiento no es simplemente un hecho pasajero, sino un reflejo de cambios geopolíticos y económicos más amplios que posicionan al níquel como un recurso estratégico para el siglo XXI. Las naciones necesitan níquel. Esta edición de Nickel presenta un análisis de la situación del níquel en el debate estratégico y crítico sobre las materias primas.
(estra -’te-xiko): adj. parte de un plan destinado a conseguir un fin determinado o a obtener una ventaja
¿Qué puede haber más estratégico que unos sistemas de transporte eficientes que reduzcan la congestión y lleven eficazmente a personas y mercancías del punto A al punto B? ¿O en la puja por reducir las emisiones, fomentar el cambio a vehículos eléctricos eficientes? El níquel también desempeña aquí un papel estratégico. La ampliación de una arteria vial clave en Estados Unidos —el túnel y puente de Hampton Roads— empleará más de 700 toneladas (635 toneladas métricas) de níquel en las barras de refuerzo de acero inoxidable que garantizarán su funcionamiento durante décadas. Además, el níquel es fundamental en las baterías que alimentarán los vehículos eléctricos del futuro. Consulte las últimas novedades en la página 10.
Así pues, mientras las industrias, los gobiernos y las naciones siguen diseñando estrategias para un futuro sostenible, una cosa es cierta: el níquel es un recurso estratégico fundamental, que brilla más que nunca. Como las estrellas de nuestra contraportada: los magníficos elefantes del Aeropuerto Suvarnabhumi.
Clare Richardson Editora, Nickel
Refinería de lixiviación ácida a alta presión (HPAL, por sus siglas en inglés) de Harita Nickel (NCKL)
Una nueva generación de plantas de HPAL que utilizan minerales lateríticos está proporcionando el níquel crítico no solo para la rápida electrificación del sistema de transporte, sino también para satisfacer la creciente demanda de acero inoxidable para la producción de energías renovables (página 6).
02 Estudio de caso n.º 32
Túnel y puente de Hampton Roads
Procesamiento del níquel Lixiviación ácida a alta presión
Estratégico y crítico
¿En qué situación se encuentra el níquel?
10 Potenciando el futuro
Avances en las baterías de níquel
12 El níquel brilla a altas temperaturas
13 Aleaciones de níquel
Aleaciones de alta entropía 14 Preguntas y respuestas técnicas 15 ¿Por qué el níquel? 15 Detalles UNS
16 Los elefantes del Aeropuerto Suvarnabhumi
La revista Nickel es una publicación del Nickel Institute www.nickelinstitute.org
Dr. Hudson Bates, presidente Clare Richardson, editora communications@nickelinstitute.org
Colaboradores: Parvin Adeli, Gary Coates, Richard Matheson, Mark Mistry, Geir Moe, Kim Oakes, Pablo Rodríguez Domínguez, Frank Smith, Lyle Trytten, Odette Ziezold
Diseño: Constructive Communications
Este material ha sido elaborado para proporcionar información general al lector y no debe utilizarse ni tomarse como base para aplicaciones especí cas sin antes obtener asesoramiento. Aunque se considera que el material es técnicamente correcto, el Nickel Institute, sus miembros, personal y consultores no a rman ni garantizan que sea adecuado para ningún uso general o especí co, ni asumen ningún tipo de obligación o responsabilidad respecto a la información aquí contenida.
ISSN 0829-8351
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Investigadores de la Universidad Estatal de Ohio han desarrollado un nuevo complejo de níquel que permitirá a la industria farmacéutica crear fármacos eficaces con mayor rapidez. Al simplificar la formación de enlaces alquílicos, esta nueva herramienta facilitará procesos químicos orgánicos que antes no eran posibles. Según Christo Sevov, investigador principal del estudio, «al combinar la síntesis orgánica, la química de metales y la ciencia de las baterías de una forma que nadie había hecho, pudimos desentrañar sus asombrosas propiedades». La fabricación de una nueva molécula a partir de una única reacción química permitirá a los investigadores crear hasta 96 nuevas versiones de fármacos en el tiempo que normalmente se tardaría en fabricar una sola. En última instancia, esto reducirá los costes de desarrollo y el tiempo de comercialización de medicamentos que salvan vidas, a la vez que aumentará la eficacia de los fármacos y disminuirá el riesgo de efectos secundarios. El estudio se publicó en Nature Magazine.
Investigadores de la Universidad de Jilin, en Changchun (China), han desarrollado una nueva aleación SLM-NiTi con mayor resistencia a la tracción. ¿Cuál es el resultado? La promesa de implantes ortopédicos más individualizados y personalizados con menos necesidad de revisiones puntuales y costosas. Las aleaciones de níquel-titanio (NiTi) se utilizan mucho en la industria médica por sus propiedades únicas. El equipo de Hao et al. preparó la novedosa aleación NiTi utilizando la tecnología de fusión selectiva por láser (SLM, por sus siglas en inglés). Descubrieron que «cambiando la longitud y la dirección de escaneo del láser, se eliminaba la generación de cristales columnares unidireccionales en el material, mejorando así la deformación por tracción del SLM-NiTi hasta un 15,6 %». Es un avance más tanto para médicos como para pacientes.
En colaboración con la Universidad Estatal de Makassar (UNM), en Indonesia, Suvo Strategic Minerals ha transformado con éxito escorias de níquel en un cemento de alta resistencia, bajo coste y bajas emisiones de carbono. Tomar medidas para descarbonizar el cemento es un esfuerzo importante, ya que la industria es una de las mayores emisoras de GEI del mundo, y la demanda sigue creciendo. En colaboración con el productor de escoria de níquel PT Huadi Bantaeng Industrial Park, filial de Suvo, Climate Tech Cement Pty se propuso producir un cemento geopolímero ecológico como alternativa al cemento tradicional a base de clínker. El presidente ejecutivo de SSM, Aaron Banks, explica: «Alcanzar hasta 37,5 MPa (5,4 ksi) tras solo siete días es un resultado extraordinario en la primera ronda de ensayos». Añadió que «la reducción de emisiones en la industria cementera es análoga al papel de los vehículos eléctricos en la sustitución de los (motores) de combustión interna».
Cuando el Departamento de Energía de EE. UU. quiso mejorar el rendimiento de la fundición de superaleaciones monocristalinas utilizadas en turbinas industriales de gas (IGT, por sus siglas en inglés), QuesTek Innovations, con sede en Illinois, aceptó el reto. Debido a su excelente resistencia a la fluencia, las superaleaciones de níquel se utilizan en componentes de paso de gas caliente en turbinas de gas. Para alcanzar su máxima capacidad mecánica, estos materiales deben moldearse como cristales individuales. La industria solía utilizar palas de fundición convencional o solidificadas direccionalmente. Questek, líder en tecnologías integradas de ingeniería computacional de materiales, ha desarrollado con éxito una nueva superaleación de níquel monocristalino moldeable que contiene un 1 % de renio (un porcentaje inferior al de las aleaciones de palas de IGT de alto rendimiento de última generación). Esto, a su vez, ha demostrado elevadas tasas de rendimiento en la fundición y un buen desempeño específico para su aplicación, con lo que se ha elevado la eficiencia a un nivel superior. También es una solución más rentable. Misión cumplida.
En la tercera parte de esta serie analizaremos la lixiviación ácida a alta presión (HPAL), cuya capacidad está aumentando para suministrar a los mercados de baterías materiales intermedios de níquel, como precipitados mixtos de hidróxido y sulfuro, que pueden utilizarse para fabricar sulfato de níquel puro para la producción de baterías.
Los orígenes de la lixiviación ácida a alta presión (HPAL) se remontan a hace casi 70 años, pero la tecnología se está extendiendo cada vez más para abastecer la demanda de baterías de níquel.
El concepto de la HPAL es sencillo: añadir ácido sulfúrico y aumentar la temperatura para disolver todo el mineral. Neutralizar el exceso de ácido, eliminar los metales no deseados y recuperar los metales deseados.
Proceso de lixiviación
La lixiviación tiene lugar a alta presión y a una temperatura de unos 250 °C, dejando la mayor parte del hierro y el aluminio contenidos en el mineral en el residuo de lixiviación, mientras que los materiales valiosos están en solución. El proceso de lixiviación, caliente y ácido, es extremadamente agresivo, por lo que requiere materiales sofisticados como el titanio unido por explosión al acero al carbono: una fina capa de titanio caro para resistir la corrosión y una gruesa capa de acero al carbono más económico para mayor resistencia. El mineral de laterita húmedo se mezcla con agua y se criba para eliminar los materiales gruesos; a continuación, se espesa hasta obtener un fluido viscoso pero aún bombeable. Luego el lodo se calienta hasta alcanzar la temperatura de reacción (>90 % de la energía térmica se utiliza para el agua del lodo, no los sólidos). Para reducir los costes de calentamiento, los lodos de descarga se dejan descender gradualmente hasta la presión ambiente, generando vapor instantáneo que se reutiliza como
fuente de precalentamiento a lo largo del recorrido.
Neutralizar el exceso de ácido
Antes de recuperar los metales, el exceso de ácido se neutraliza añadiendo piedra caliza molida para formar un residuo de yeso. Los residuos mezclados se lavan, normalmente mediante un lavado por decantación en contracorriente (CCD, por sus siglas en inglés), y luego se depositan como relaves. La práctica habitual ha sido depositar los relaves como lodos espesados en instalaciones de gestión de relaves diseñadas en terrenos adyacentes a la planta de procesamiento y reciclar los líquidos liberados por los sólidos sedimentados.
Recuperación de metales
Una vez neutralizado el ácido, la solución contiene principalmente níquel y cobalto con pequeñas cantidades de zinc y cobre, junto con cantidades más significativas de hierro, aluminio y manganeso, con una importante concentración de magnesio. El cobre y el zinc no tienen una importancia económica real (normalmente <2 % del valor total), por lo que pueden retirarse y tratarse como residuos o subproductos. El níquel y el cobalto pueden recuperarse de varias maneras.
La primera planta HPAL se instaló en Moa Bay (Cuba) a finales de los años cincuenta. Esa planta, así como un
Mineral húmedo (Limonita)
Ácido sulfúrico
Vapor Reciclaje de vapor
puñado de instalaciones posteriores, han optado por utilizar sulfuro de hidrógeno para precipitar un sulfuro mixto intermedio (SMI) para refinarlo a níquel de Clase 1. El SMI es bastante puro, denso y se sedimenta bien, lo que lo hace excelente para el transporte marítimo, ya que contiene alrededor de un 50-55 % de Ni + Co transportado como polvo húmedo. El precipitado de hidróxido mixto (PHM) se ha hecho muy popular en los últimos 10 años, utilizando hidróxido cáustico o de magnesio para precipitar un producto intermedio de grado inferior, que contiene alrededor de un 40 % de Ni + Co, pero con una humedad mucho mayor (alrededor del 50 % en peso), lo que significa que el producto transportado solo tiene alrededor de un 20 % de Ni + Co en peso.
Tratamiento de efl uentes
Una vez recuperados los metales valiosos (níquel y cobalto), queda una cantidad importante de solución efluente, que contiene cantidades significativas de magnesio y algo de manganeso en forma de sulfatos. El reciclado parcial se utiliza para conservar el agua, lo que aumenta el nivel de magnesio y, en última instancia, se requiere una descarga para eliminar el magnesio del circuito. En climas áridos, esta solución puede evaporarse, dejando que los sulfatos metálicos se cristalicen en el estanque de evaporación, mientras que en climas tropicales el efluente se vierte al océano. Antes del vertido, los metales regulados como Cr, Mn, Ni y Co deben eliminarse hasta un nivel aceptable.
Neutralización
Separación de residuos
Las instalaciones de HPAL han sido propensas a importantes problemas de puesta en marcha, a menudo relacionados con las difíciles condiciones que requieren los materiales de construcción en capas, como los autoclaves HPAL revestidos de titanio y otros recipientes revestidos de caucho o ladrillo, y la necesidad de contar con múltiples pasos de procesamiento secuenciales que funcionen todos a ritmos similares. Ahora está empezando en Indonesia una nueva generación de estas instalaciones, y parece que la experiencia adquirida por las empresas que construyen instalaciones en serie ha dado por fin como resultado instalaciones que funcionan bien desde el primer día.
Las cuestiones ambientales son muy diferentes para las instalaciones de HPAL que para las de horno rotario eléctrico (RKEF, por sus siglas en inglés): la HPAL tiene unas emisiones de gases de efecto invernadero relativamente bajas, sobre todo si el ácido sulfúrico se fabrica in situ. Sin embargo, sí genera importantes residuos de transformación que requieren un confinamiento permanente. El confinamiento puede realizarse de forma que se minimicen los riesgos, pero la verdadera eliminación del impacto de los residuos de HPAL solo podría conseguirse adoptando un procesamiento circular, en el que estos residuos volvieran a transformarse en otros materiales, como mineral de hierro o agregados. Esta posibilidad se ha examinado y sigue siendo un reto debido a la compleja química implicada.
Caliza Magnesia/Cáustica o Sulfuro de hidrógeno
Eliminación de metales
Eliminación de metales
PHM o SMI
El lavado por decantación en contracorriente (CCD) es un proceso en el que se utilizan varios espesantes en serie para lavar la solución valiosa y separarla del residuo. En cada etapa, el lodo entrante de la etapa anterior se mezcla con el líquido de lavado de la etapa siguiente, después se espesa y se hace pasar. La última etapa se lava con agua u otra solución estéril, que asciende por la cadena mientras los sólidos descienden. Este proceso reduce la concentración de materiales valiosos en cada etapa en un 50 % aproximadamente, de modo que cuando se han completado 6 o 7 etapas de lavado, se ha recuperado más del 97 % de los materiales valiosos.
Lodos de lixiviación neutralizados 35 % sólidos
Agua de lavado
2
Solución de producto
3
Lodos de relaves 45 % sólidos
Las materias primas constituyen el pilar de prácticamente todas las cadenas de valor industriales clave, desde la fabricación de automóviles y la ingeniería mecánica hasta la electrónica; cadenas de valor que son esenciales para las economías, las industrias y la sociedad civil.
Algunas materias primas se consideran «críticas» o «estratégicas» porque son esenciales para industrias clave, la estabilidad económica, la seguridad nacional y la innovación tecnológica. Sin un acceso fiable a estos materiales, industrias como las de defensa, energía, telecomunicaciones y electrónica podrían sufrir importantes perturbaciones. El níquel es una de esas materias primas que está recibiendo la atención de los gobiernos de todo el mundo.
Sin embargo, la importancia de estos materiales a menudo pasa desapercibida hasta que se produce su escasez, lo que puede ocurrir por multitud de razones. Desequilibrios en la oferta y la demanda, aspectos geopolíticos, reciclaje limitado... las razones de la escasez pueden ser numerosas.
En las últimas décadas, la escasez de mineral de hierro, carbón de coque, metales de tierras raras, magnesita y silicio ha perturbado las cadenas de valor industriales con consecuencias para economías enteras.
En respuesta, a principios de la primera década del siglo XXI se pusieron en marcha «evaluaciones de la criticidad» de las materias primas en varias regiones, sobre todo en
Estados Unidos y la Unión Europea. El objetivo de estas evaluaciones era anticiparse a los riesgos de suministro y salvaguardar el flujo continuo de materiales esenciales. En la actualidad, más de 25 países realizan este tipo de evaluaciones para identificar materias primas vitales para sus economías e industrias y para determinar medidas para mitigar los riesgos de suministro.
Definición de la criticidad de las materias primas
Pero, ¿cómo se define la criticidad de las materias primas? Los criterios para determinar si una materia prima es «crítica» varían un poco de unas jurisdicciones a otras, pero los principios subyacentes siguen siendo en gran medida coherentes.
La mayoría de las evaluaciones se basan en dos factores clave: el riesgo de suministro y la importancia económica. Una materia prima se considera crítica cuando desempeña un papel importante en las cadenas de valor industriales esenciales y, sin embargo, se enfrenta a posibles interrupciones en el suministro. Estos riesgos de suministro suelen derivarse de la concentración geográfica de la producción en unos pocos países o empresas, la volatilidad de las relaciones comerciales, la insuficiencia de las infraestructuras de reciclaje o la ausencia de sustitutos viables.
Crítico frente a estratégico
Cada vez más, un segundo término está captando la atención en este contexto: materia prima «estratégica». En la Unión Europea, «estratégico» se utiliza para describir materias primas que son importantes pero no se consideran «críticas», ya que actualmente no existen riesgos de suministro.
El níquel se considera una materia prima «crítica» en muchas regiones, con Estados Unidos, Canadá, China y Japón entre los ejemplos más destacados. Pero, ¿por qué? Su estado crítico se debe a su papel fundamental en las transiciones energética y digital, en particular como componente clave de las baterías de los vehículos eléctricos y de las tecnologías de generación de electricidad con bajas emisiones de carbono. A medida que crece la demanda de estas tecnologías, también lo hace la importancia del níquel. En la UE, el níquel se
considera una materia prima «estratégica» y «crítica». Esto refleja no solo su importancia económica actual, sino también su centralidad prevista en el futuro.
Implicaciones del estado crítico o estratégico
Pero, ¿resulta beneficioso para la industria del níquel que sus productos se consideren «críticos» o «estratégicos»? El creciente reconocimiento de la necesidad de níquel ha dado lugar a una serie de medidas encaminadas a garantizar el suministro. Los gobiernos han empezado a agilizar los procesos de concesión de permisos para fomentar la producción nacional, invertir en tecnologías de reciclaje y emprender esfuerzos diplomáticos para garantizar el acceso a las regiones ricas en níquel. Para la industria del níquel, estas medidas políticas pueden traducirse en un mayor apoyo a las iniciativas de extracción, transformación y reciclado, así como en una mayor financiación de la investigación y el desarrollo.
Crítico y estratégico
Como metal con propiedades excepcionales —como la resistencia a la corrosión y a las altas temperaturas—, el níquel desempeña un papel insustituible en las sociedades modernas. Su uso en todos los ámbitos, desde las infraestructuras hasta las tecnologías de vanguardia, consolida su posición en el corazón de la economía mundial. Se trata, por tanto, de una materia prima crítica y estratégica que desempeña un papel esencial, tanto ahora como en el futuro.
Evaluación de materiales críticos (CMA, por sus siglas en inglés)
Crítico
Estratégico
El níquel está desempeñando un papel importante en muchos desarrollos clave anunciados en los últimos meses en aplicaciones de baterías para vehículos eléctricos y baterías para almacenamiento de energía.
Con el rápido crecimiento de los vehículos eléctricos, la atención se centra en mejorar el rendimiento, la seguridad y la rentabilidad de sus baterías. El núcleo de esta innovación es el níquel, un material esencial en las composiciones químicas de muchas baterías de vehículos eléctricos.
El níquel se utiliza en diversas formulaciones de baterías de iones de litio, lo que contribuye a aumentar la densidad energética y, por tanto, a mejorar la autonomía de los vehículos. Es un componente vital de las baterías NMC (níquel-manganeso-cobalto), muy utilizadas en los vehículos eléctricos. Estas baterías ofrecen un equilibrio entre densidad energética, estabilidad térmica y coste. A medida que los fabricantes de automóviles intentan ampliar la autonomía de sus vehículos, se observa una tendencia a aumentar el contenido de níquel en los cátodos de NMC.
Tesla
Tesla, por ejemplo, ha anunciado el cambio a una composición NMC 955 (90 % de níquel, 5 % de manganeso y 5 % de cobalto) para sus baterías,
en sustitución del anterior diseño NMC 811 (80 % de níquel). Se espera que este ajuste aumente aún más la densidad energética de sus baterías y reduzca ligeramente la dependencia del cobalto. Además, Tesla también está experimentando con una variante NMC 973 (90 % de níquel, 7 % de manganeso y 3 % de cobalto). El mayor contenido de níquel en estas composiciones químicas permite una mayor capacidad y autonomía, pero equilibrar la seguridad y la longevidad de estas celdas sigue siendo un desafío técnico.
Cátodos más eficientes
Uno de los principales avances de las baterías de níquel es el desarrollo de materiales del cátodo de última generación y procesos de producción más eficientes.
Novonix, líder en materiales para baterías, ha introducido un método totalmente seco y sin residuos para sintetizar cátodos de níquel. Este innovador proceso reduce significativamente el impacto ambiental de la fabricación de baterías al eliminar la necesidad de disolventes y no generar residuos. Además, esta técnica mejora el rendimiento del material del cátodo, haciéndolo más eficiente y sostenible.
Equilibrio entre alta energía y estabilidad
LG Energy Solution (LGES) también está contribuyendo al progreso con planes para producir en serie baterías de alto voltaje y níquel medio para 2025. Estas baterías están diseñadas para ofrecer un equilibrio entre alta densidad energética y estabilidad, esencial para los vehículos eléctricos.
Otro avance significativo en el sector de las baterías para vehículos eléctricos es la producción en serie por Panasonic de la batería cilíndrica de iones de litio 4680. Este formato de batería, que ofrece cinco veces la capacidad de la celda tradicional 2170, está llamado a revolucionar el sector de los vehículos eléctricos al ampliar la autonomía de los vehículos y reducir la cantidad total de celdas necesarias en las baterías. Las celdas 4680 incorporan un alto porcentaje de níquel, lo que contribuye aún más a mejorar la densidad energética.
La fábrica de Panasonic en Wakayama (Japón) será el principal centro de producción de la batería 4680. La empresa está integrando métodos de producción avanzados en estas instalaciones, que también servirán como centro de demostración para la fabricación mundial. Se espera que la celda 4680 reduzca significativamente los costes de producción de los vehículos eléctricos, haciéndolos más accesibles a un mercado más amplio.
Baterías de níquel-zinc
Aunque el níquel sigue siendo un material fundamental para las baterías de alto rendimiento de los vehículos eléctricos, también se están estudiando otras composiciones químicas alternativas. ZincFive, líder en soluciones de baterías de níquel-zinc (NiZn), está ampliando sus operaciones en Estados Unidos
para producir baterías para aplicaciones de energía inmediata. Las baterías de NiZn están atrayendo más atención debido a su alto rendimiento en potencia y a sus ventajas inherentes en materia de seguridad en comparación con las baterías de iones de litio. Estas baterías son especialmente útiles para aplicaciones que requieren ráfagas rápidas de energía, como los centros de datos o el almacenamiento en red.
Aunque las baterías de NiZn aún no son viables para el despliegue a gran escala de vehículos eléctricos debido a su menor densidad energética en comparación con las de iones de litio, sus ventajas en seguridad y medio ambiente las convierten en una opción atractiva para determinadas aplicaciones.
Estado sólido
En el futuro, las baterías de estado sólido, que sustituyen el electrolito líquido de las celdas de iones de litio convencionales por un electrolito sólido, prometen ofrecer mayor densidad energética y mayor seguridad. Mercedes-Benz colabora con Factorial para desarrollar baterías de estado sólido en el marco del proyecto «Solstice». Se espera que estas baterías aumenten la densidad energética en un 80 % en comparación con la tecnología actual de iones de litio, gracias en parte a los avances en los materiales del cátodo, incluidas las composiciones ricas en níquel.
Níquel en el núcleo
A medida que el sector de vehículos eléctricos sigue creciendo, el papel del níquel en la tecnología de las baterías es cada vez más importante. Desde los cátodos de alto níquel utilizados por Tesla hasta los cátodos de níquel medio y de alto voltaje de LGES, el níquel está en el núcleo de las innovaciones que prometen ampliar la autonomía, mejorar el rendimiento y reducir los costes. Al mismo tiempo, los avances en aditivos de seguridad, las composiciones químicas alternativas como el NiZn y el progreso hacia las baterías de estado sólido permiten vislumbrar el futuro de unas baterías para vehículos eléctricos más seguras y eficientes.
Se espera que las baterías de estado sólido aumenten la densidad energética en un 80 % en comparación con la tecnología actual de iones de litio, gracias en parte a los avances en los materiales del cátodo, incluidas las composiciones ricas en níquel.
Los distintos tratamientos térmicos son clave para optimizar las propiedades de los componentes de las industrias automovilística, aeroespacial y energética, entre otras. Esto es ahora de gran interés para los vehículos eléctricos, ya que los componentes tratados térmicamente son fundamentales para mejorar el rendimiento con un menor peso para aumentar la autonomía de conducción.
Estas bandejas se utilizan para apilar engranajes que se someterán a un tratamiento térmico de carburación a 925 °C (1700 °F) seguido de un endurecimiento neutro a 845 °C (1550 °F). Los postes verticales acanalados están hechos de aleación RA330® forjada por extrusión, que sustituyó a los postes de aleación fundida, ya que tenían una corta vida útil debido a su incapacidad para enderezarse por su baja ductilidad.
Los aceros inoxidables que contienen níquel de la serie 300 y las aleaciones de níquel son los materiales preferidos para los componentes en hornos de tratamiento térmico. Los tratamientos térmicos de carburación —difusión de carbono en la superficie del metal— y nitruración —similar, pero con nitrógeno— proporcionan al acero una superficie dura y resistente al desgaste, manteniendo al mismo tiempo un núcleo fuerte y dúctil. Las aleaciones que contienen níquel en bandejas, correas y otros accesorios permiten una mayor vida útil a través de numerosos ciclos. Estos materiales tienen mayor resistencia a temperaturas elevadas, conservan la ductilidad y funcionan bien en atmósferas oxidantes. Están disponibles en diferentes formas y son fáciles de fabricar y soldar. Las aleaciones de níquel para altas temperaturas se consideran una continuación de la serie 300, con propiedades mejoradas necesarias en condiciones más extremas.
Tanto las piezas de fundición como los materiales forjados se utilizan para servicios a altas temperaturas. Las piezas de fundición se aproximan a la forma final y pueden tener un alto contenido de carbono para mejorar la resistencia a la fluencia. La aleación HK40 (UNS J94204) tiene un 0,35-0,45 % de carbono, mientras que el tipo 310S (S31008) tiene un 0,08 % de carbono. Ambas contienen un 25 % de Cr y un 20 %
de Ni, por lo que su rendimiento es similar. Las piezas de fundición suelen tener paredes más gruesas que los productos forjados, lo que puede ser beneficioso en muchas aplicaciones, aunque pueden surgir problemas de peso. La soldabilidad puede ser un problema con las piezas de fundición debido a su mayor tamaño de grano, pero en general es manejable. Las aleaciones de alta temperatura pueden producirse mediante métodos de fundición en arena, a la cera perdida o centrífuga.
Los materiales forjados, es decir, planchas, chapas, tubos, barras, etc., están diseñados para la soldadura y la fabricación de componentes. Su menor contenido de carbono favorece la soldabilidad, especialmente cuando es necesario realizar reparaciones. Todos los diseños deben tener en cuenta la dilatación del metal a altas temperaturas para evitar distorsiones. La aleación 330 (N08330) se utiliza habitualmente en el tratamiento térmico, ya que ofrece resistencia a la oxidación, ductilidad y silicio para entornos de carburación. Las aleaciones forjadas pueden contener elementos como cerio y nitrógeno para mejorar la resistencia a la fluencia, la resistencia a la oxidación y la estabilidad metalúrgica.
En general, las aleaciones que contienen níquel brillan en casi todas las aplicaciones de alta temperatura.
En el diseño convencional de aleaciones, se elige un elemento primario, como el hierro, el cobre o el aluminio, por sus propiedades. A continuación, se añaden pequeñas cantidades de elementos adicionales para mejorar o añadir propiedades. El ejemplo más sencillo es el acero, que es una aleación de hierro (~99 %) y carbono (hasta ~1 %). El carbono aumenta considerablemente la resistencia. Una aleación más compleja sería el acero inoxidable de tipo 304L (UNS S30403) con una composición aproximada de Fe 72 %, Cr 18 % y Ni 8 %. El Cr y el Ni son esenciales para producir una aleación de acero resistente a la corrosión y fácil de fabricar. En 2003, los investigadores descubrieron una nueva clase de aleaciones, ahora conocidas como aleaciones de alta entropía (HEA), compuestas por cantidades atómicas iguales de cinco o más elementos. En la investigación inicial se trabajó con una aleación compuesta de CoCrFeMnNi que ha resultado tener unas propiedades mecánicas excepcionales a baja temperatura y una alta tenacidad a la fractura, con un aumento tanto de la ductilidad como del límite elástico a medida que se reducía la temperatura de ensayo desde la temperatura ambiente hasta –196 °C
(–321 °F). Puede usarse como material estructural en aplicaciones de baja temperatura o, debido a su gran tenacidad, como material absorbente de energía.
Se comprobó que el Al0,5CoCrCuFeNi con una pequeña adición de aluminio tenía una longevidad a la fatiga y un límite de resistencia a la fatiga elevados, posiblemente superiores a los de algunas aleaciones convencionales de acero y titanio. Sin embargo, los resultados presentaban una variabilidad significativa que requería más investigación.
GRÁFICO ASHBY DEL LÍMITE ELÁSTICO
FRENTE A LA TENACIDAD A LA FRACTURA
Aleaciones de alta entropía \
Aleaciones de níquel \ Acero inoxidable \ CrMnFeCoNi \ Superaleaciones de níquel / CrCoNi / Metales y aleaciones
Aleaciones de cobre
Aleaciones de aluminio
Aleaciones de magnesio
Polímeros (plástico)
Hormigón | Granito |
Cerámica no técnica
—— Aleaciones de titanio
Las aleaciones de alta entropía (HEA, por sus siglas en inglés) están reconocidas como una clase de materiales avanzados con excelentes propiedades mecánicas y resistencia a la corrosión. Las HEA que contienen níquel destacan por su impresionante fuerza, ductilidad y resistencia a la oxidación. El elevado coste de los metales que componen estas aleaciones limitará probablemente su aplicación. Pero sus propiedades potencialmente excepcionales pueden aportar ventajas signifi cativas en aplicaciones en las que se requiera resistencia a altas temperaturas y estabilidad térmica, como los motores a reacción y los vehículos hipersónicos; o en aplicaciones de automoción, debido a su gran resistencia y tenacidad; o en aplicaciones criogénicas, debido a su excelente tenacidad.
«Gráfi co de Ashby del límite elástico frente a la tenacidad a la fractura que muestra que las aleaciones de alta entropía basadas en CoCrNi se encuentran entre los materiales más tolerantes al daño registrados». — Bernd Gludovatz
Los ejes del gráfi co son logarítmicos, por lo que 102 es 100 veces mayor que 100, lo que demuestra que las HEA poseen un aumento signifi cativo del límite elástico y la tenacidad a la fractura en comparación con otros materiales de ingeniería conocidos. Límite elástico, oy (MPa)
Cerámica técnica (p. ej., carburo de tungsteno, nitruro de silicio).
Vidrios
El ingeniero Geir Moe es el coordinador del Servicio de consultas técnicas en el Nickel Institute. Junto con otros especialistas en materiales de todo el mundo, Geir ayuda a los usuarios finales y a los especificadores de materiales que contienen níquel que buscan asistencia técnica. El equipo está disponible para brindar asesoramiento técnico gratuito sobre una amplia gama de aplicaciones como el acero inoxidable, las aleaciones de níquel y el niquelado para permitir el uso del níquel con confi anza. https://inquiries.nickelinstitute.org/
PP: Estamos montando paneles solares en el tejado de un edifi cio a unos 2 km del océano. Los soportes de montaje son piezas de aluminio atornilladas entre sí con un tornillo central de acero inoxidable de tipo 304 (UNS 30400) (sin arandelas, por lo que el acero inoxidable choca directamente con el aluminio). ¿Debería preocuparnos una reacción de metales diferentes entre el aluminio y el acero inoxidable?
RR: Para exposiciones atmosféricas como esta, se recomiendan fijaciones de acero inoxidable con aleaciones de aluminio para evitar la corrosión galvánica de la fijación. La aleación de aluminio proporcionará protección galvánica al acero inoxidable, pero solo si ambos están humedecidos y únicamente en la unión de la aleación de aluminio con el acero inoxidable.
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También es importante seleccionar aleaciones de aluminio y acero inoxidable que sean intrínsecamente resistentes a la atmósfera. A 2 km (1,24 millas) del océano, la deposición de sal (cloruro sódico) combinada con el agua de lluvia o condensación puede provocar la corrosión por picaduras/fisuras de algunas aleaciones. Depende de la cantidad de sal que se acumule a esa distancia de la costa. También depende de varios factores, como la temperatura, la intensidad y la dirección del viento predominante, la frecuencia de las lluvias, la humedad, etc.
CORROSIÓN GALVÁNICA MASIVA
Electrolito
Corriente Cátodo
Normalmente, las aleaciones Al-Mg (serie 5000) o Al-Mg-Si (serie 6000) funcionan mejor en atmósferas marinas. En cuanto al acero inoxidable, el 304 puede sufrir corrosión por grietas en atmósferas marinas, por lo que el 316 (S31600) es una mejor opción.
Con respecto a la corrosión galvánica, todos los aceros inoxidables tienen un potencial electroquímico similar y no hay diferencias significativas entre el 304 y el 316. Los principales factores que afectan a la corrosión galvánica son la relación de área de los dos metales y la eficacia del metal más noble (positivo) como cátodo. En la corrosión atmosférica, la relación de áreas es mayoritariamente 1:1, mientras que los aceros inoxidables no son cátodos muy eficientes cuando están mojados en la atmósfera. Por ello, el acero inoxidable es aceptable como elemento de fijación con aleaciones de aluminio.
Si decide utilizar 304, una inspección anual de los elementos de fijación le indicará si se está produciendo corrosión y en qué medida. Cuando sea demasiado intensa, será necesario sustituir los elementos de fijación afectados.
El níquel puede encontrarse en muchas formas, desde nanocables hasta aleaciones de acero inoxidable. Pero, ¿cuáles son las propiedades del níquel que lo convierten en un elemento esencial en los objetos cotidianos?
El niquelado puede sonar elegante, pero básicamente es una excelente forma de hacer que las cosas de uso diario duren más, se mantengan brillantes y luzcan geniales.
Entonces, ¿por qué utilizarlo? El níquel hace que las cosas sean resistentes: ayuda a detener el óxido y mantiene el aspecto liso y brillante de todo, para que sus aparatos favoritos, bicicletas e incluso piezas de automóvil se mantengan brillantes y resistentes. Es como una coraza protectora, ¡pero también da un aspecto impresionante!
¿A qué se le aplica el niquelado? ¡A todo tipo de cosas! Piense en el acabado brillante de bicicletas, automóviles e incluso grifos y alcachofas de ducha. Suele ser níquel por debajo, con una fi na capa de otro metal como cromo o incluso oro por encima.
Y luego está el electroformado, que es como hacer copias perfectas de objetos. Esto puede ser muy útil cuando necesitamos que las cosas tengan la forma y el tamaño adecuados: ¡el níquel se encarga de que los objetos funcionen mejor y duren más!
Composición química (en porcentaje del peso) de las aleaciones y los aceros inoxidables mencionados en este número de la revista Níquel
Esta pareja de elefantes tejidos con acero inoxidable, instalada en noviembre de 2019, es única en el mundo.
Material:
tipo 304-2B de 1,2 mm de espesor
Fabricante: Escultura de elefantes:
Vision In Forms Co., Ltd.
Placa base de la escultura: Thapanin Co., Ltd.
Artista: Somsak Kongnaphakdee, Vision In Forms Co., Ltd.
Símbolo del patrimonio y la modernidad tailandeses, dos radiantes esculturas de elefantes de acero inoxidable adornan la bulliciosa energía de un centro neurálgico internacional de Bangkok, el Aeropuerto Suvarnabhumi. Somsak Kongnaphakdee, renombrado artista tailandés, diseñó estas esculturas de tamaño natural. Fabricadas por Vision in Forms (elefantes) y Thapanin (placa base de la escultura), las estructuras de los elefantes se tejieron con tiras de acero inoxidable laminado en frío de 1,2 mm de grosor del tipo 304-2B (UNS S30400). Se eligió este método para refl ejar la singularidad del trabajo artesanal de la cultura tailandesa.
Se eligió el acero inoxidable como material principal no solo por su atractivo artístico, sino también por su resiliencia, que lo hace ideal para instalaciones de arte público a gran escala. El acabado pulido añade un toque moderno, mientras que el tema conecta con el papel tradicional de los elefantes en la sociedad tailandesa como símbolos de fuerza, protección y realeza. El mayor de los elefantes de acero inoxidable mide unos impresionantes 3 m (9,8 ft) de altura y pesa unas 5,5 toneladas (5 toneladas métricas). Las dos esculturas tienen un aspecto reflectante y elegante que alegra el aeropuerto y atrae la admiración de visitantes de todo el mundo.
Más que simples adornos de aeropuerto, se han convertido en símbolos icónicos que invitan a los viajeros a detenerse, reflexionar y apreciar el intrincado arte y la profundidad cultural de Tailandia. Expuestos en la Terminal Satélite 1, forman parte de un esfuerzo más amplio por integrar el arte en los espacios públicos.
