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Nobel de Química para los creadores de las baterías de iones de litio

“Este año el Nobel de Química tiene que ver con nuestro mundo recargable”, declaró el secretario general de la Academia, Goran K. Hansson

Arturo Barba Miércoles 9 De Octubre, 2019 · 06:18 am
Nobel de Química para los creadores de las baterías de iones de litio
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El alemán John B. Goodenough, el estadounidense Stanley Whittingham y el japonés Akira Yoshino han sido galardonados por la Real Academia Sueca de Ciencias con el Premio Nobel de Química 2019, por el desarrollo de las pilas de iones de litio.

“Crearon un mundo recargable”, señala el fallo, ya que se usan en todo el mundo, desde teléfonos móviles hasta computadoras portátiles y vehículos eléctricos.

Las baterías ligeras, recargables y potentes también pueden almacenar cantidades significativas de energía que hacen posible una sociedad libre de combustibles fósiles.

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Las pilas de iones de litio se utilizan a nivel mundial para alimentar los dispositivos electrónicos portátiles que utilizamos para comunicarnos, trabajar, estudiar, usar redes sociales, escuchar música, buscar conocimiento y para entretenimiento. También han permitido el desarrollo de automóviles eléctricos de largo alcance y el almacenamiento de energía de fuentes renovables, como la solar y la eólica.

Las contribuciones de los tres galardonas fueron sucesivas: durante la crisis del petróleo en la década de 1970, Stanley Whittingham (EE. UU., 1941) trabajó en el desarrollo de tecnologías libres de combustibles fósiles. Investigó en superconductores y descubrió un material extremadamente rico en energía, que utilizó para crear un cátodo innovador en una batería de litio. Esto fue hecho de disulfuro de titanio que, a nivel molecular, tiene espacios que pueden albergar e intercalar, iones de litio.

Las pilas deben permitir el flujo de una corriente eléctrica de un lado negativo (ánodo) a otro positivo (cátodo). La ventaja de las que están hechas de iones de litio es que se basan en el flujo de electrones de un lado a otro sin producir reacciones químicas que descomponen los electrodos.

El ánodo de la pila de Whittingham estaba hecho parcialmente de litio metálico, que tiene una gran capacidad para liberar electrones. Esto dio pie a un gran potencial: poco más de dos voltios. Sin embargo, el litio metálico es reactivo y la batería era demasiado explosiva para ser viable.

Basándose en estos estudios, John Goodenough (Alemania, 1922) duplicó el potencial de la batería. Hizo un cátodo con un potencial aún mayor con un óxido metálico en lugar de un sulfuro metálico. Después de una búsqueda sistemática, en 1980 demostró que el óxido de cobalto con iones de litio intercalados puede producir hasta cuatro voltios. Este fue un avance importante para obtener pilas mucho más potentes.

Asimismo, con el cátodo de Goodenough como base, Akira Yoshino (Japón, 1948) creó, en 1985, la primera pila de iones de litio comercialmente viable. Eliminó el litio reactivo y puro en el ánodo, y usó iones de litio intercalados con coque de petróleo, un material de carbono que, como el óxido de cobalto del cátodo, puede intercalarse. El resultado fue una pila ligera y resistente que podía cargarse cientos de veces antes de que su rendimiento se deteriorara.

El litio es el elemento sólido más ligero pero también inestable, que debe almacenarse en aceite para que no reaccione con el aire. Fue obtenido por primera vez en 1817 a partir de iones de litio en forma de sal. Es nombrado por la palabra griega “litos”, que significa piedra.

De acuerdo con las consideraciones de la Real Academia Sueca de Ciencias, las baterías de iones de litio han revolucionado nuestras vidas desde que ingresaron al mercado en 1991. Han sentado las bases de una sociedad inalámbrica, libre de combustibles fósiles, y son, sin duda, de gran beneficio para la humanidad.

En busca de las aplicaciones

A mediados del siglo XX grandes empresas, centros de investigación y universidades invirtieron en el desarrollo de vehículos eléctricos y, para ello, buscaron pilas potentes que pudieran almacenar grandes cantidades de energía. En esa época había solo dos tipos de baterías recargables: la de plomo, inventada en 1859, que todavía se usa en automóviles de gasolina, y la de níquel-cadmio que se desarrolló en la primera mitad del siglo 20.

Ante la crisis petrolera la gigante Exxon reclutó en los años 70 algunos de los investigadores más destacados de la época en el campo energético, entre ellos Stanley Whittingham, quien investigó materiales sólidos con espacios del tamaño de un átomo donde los iones cargados se pueden unirse con otros átomos. Este fenómeno se llama intercalación. Las propiedades de los materiales cambian cuando los iones quedan atrapados dentro de ellos.

Whittingham y sus colegas investigaron materiales superconductores como el disulfuro de tantalio pero, como suele ocurrir en la ciencia, este experimento condujo a un descubrimiento inesperado y valioso: al añadir iones al disulfuro de tantalio observaron que se afectaba su conductividad. Se percataron que tenía una energía de alta densidad de dos voltios: la mayor potencia obtenida por las pilas de la época.

Sus esfuerzos se orientaron al desarrollo de una nueva tecnología para almacenar energía para vehículos eléctricos. Pasaron del tantalio, uno de los elementos más pesados, al titanio, mucho más ligero, y de ahí al litio, el elemento químico que libera más fácilmente sus electrones y lo hace a temperatura ambiente.

Desafortunadamente, a medida que la nueva pila de litio se cargaba repetidamente crecieron pequeños filamentos en el electrodo que, cuando llegaron al otro electrodo, provocaron un cortocircuito. Para hacerla más segura, agregaron aluminio al metal del electrodo. En 1976 comenzó a producirse a pequeña escala para un relojero suizo que quería usarlo en relojes con energía solar.

El siguiente objetivo era ampliar la batería de litio recargable para poder alimentar un automóvil. Sin embargo, el precio del petróleo cayó dramáticamente a principios de la década de 1980 y Exxon necesitaba hacer recortes. El trabajo de Whittingham se suspendió y la tecnología se vendió a tres empresas.

Al investigar sobre la batería revolucionaria de Whittingham, en la Universidad de Oxford en Gran Bretaña, John Goodenough sabía que el cátodo podría tener un mayor potencial si se construyera con un óxido de metal en lugar de un sulfuro de metal. Descubrió que la batería con óxido de litio-cobalto en el cátodo era casi el doble de potente: cuatro voltios. En 1980, publicó el descubrimiento de este nuevo material de cátodo de alta densidad energética que, a pesar de su bajo peso dio como resultado pilas potentes de alta capacidad. Este fue un paso decisivo hacia la revolución inalámbrica.

En la década de los 80 las compañías japonesas buscaban baterías livianas y recargables que pudieran alimentar dispositivos electrónicos innovadores, como cámaras de video, teléfonos inalámbricos y computadoras.

Akira Yoshino quien trabajaba para la Corporación Asahi Kasei, usó la pila de óxido de litio-cobalto de Goodenough y le añadió varios materiales basados en carbono en el ánodo, como coque de petróleo, un subproducto de la industria petrolera. Cuando cargó el coque con electrones los iones de litio fueron absorbidos por el material. Entonces, cuando encendió la batería los electrones y los iones de litio fluyeron hacia el cátodo, con un potencial mucho mayor.

La nueva pila desarrollada era estable, liviana y con una gran capacidad. Su mayor ventaja es que los iones de litio fluyen entre los electrodos sin reaccionar con su entorno. Esto le brinda una vida larga y se puede cargar miles de veces antes de que se deteriore su rendimiento. Otra gran ventaja es que no tiene litio puro que es inestable y explosivo.

En 1991 una importante empresa de electrónica japonesa comenzó a vender las primeras baterías de iones de litio, lo que permitió una revolución en la electrónica: los teléfonos móviles se redujeron de tamaño, las computadoras se volvieron portátiles y fueron desarrolladas los reproductores de música y las tabletas.

Investigadores de todo el mundo han buscado elementos químicos que permitan desarrollar pilas aún mejores, pero hasta ahora no se ha superado la alta capacidad y el voltaje de las de iones de litio.

Asimismo, este desarrollo ha permitido el surgimiento de tecnologías de energía más limpia y vehículos eléctricos, lo que contribuye a reducir las emisiones de gases de efecto invernadero en beneficio del medio ambiente.