PREMIO NOBEL DE QUÍMICA: los ganadores van en nuestros bolsillos

El Premio Nobel de Química 2019 fue para John B. Goodenough, Stanley Whittingham y Akira Yoshino, los padres de la batería de litio, un elemento que llevamos en el bolsillo a diario, porque es lo que nutre los celulares.

Pero no sólo eso: las baterías de litio están presentes en computadoras portátiles y vehículos eléctricos. También se puede utilizar para almacenar energía solar y eólica, lo cual abrió paso al uso de recursos renovables que apuntan a ir reemplazando los combustibles fósiles, con el fin de reducir la contaminación ambiental y el calentamiento global que llega aparejado con la emisión de gases de efecto invernadero, como el dióxido de carbono.

Litio, el “oro blanco”

Al litio se lo conoce como el “oro blanco” porque, debido a los múltiples usos que se le puede dar, es considerado un recurso estratégico. Más de la mitad de las reservas de este recurso se encuentran concentradas en el Cono Sur del continente americano: Bolivia, Chile y Argentina.

Este elemento, que se ha convertido en algo esencial en la vida diaria, fue descubierto en 1817 por los químicos suecos Johan August Arfwedson y Jöns Jacob Berzelius en una muestra mineral de la mina Utö, Estocolmo. Cabe destacar que estos investigadores no encontraron el elemento metálico puro sino iones de litio en forma de sal. El litio, un elemento liviano y potente, también tiene una característica que puede resultar problemática: es inestable. Y tiene que almacenarse en aceite para que no reaccione al entrar en contacto con el aire, tal como se menciona en el documento publicado en la página del Premio Nobel.

La batería de iones de litio se caracterizan por ser livianas, tener resistencia y gran capacidad energética. Este hallazgo fue vital para potenciar el desarrollo de la industria de productos electrónicos. Como suele ocurrir en la ciencia, fue el fruto de un recorrido que involucró años de investigación.

Los orígenes de las baterías de litio

Todo comenzó en los años 70 con la crisis del petróleo: cada vez había más vehículos en el mundo y se cayó en la cuenta de que se dependía de un recurso limitado y que en algún momento se acabaría. A eso se suma la contaminación que generan los combustibles fósiles. Aunque, a decir verdad, en aquel entonces no había tanta conciencia sobre este aspecto y probablemente lo que más despertó las alarmas fue el hecho de que se requería encontrar fuentes alternativas de energía para seguir potenciando una industria que no paraba de crecer como la automotriz, entre otras.

La empresa petrolera Exxon decidió financiar investigaciones para encontrar otras fuentes energéticas. El químico Stanley Whittingham se unió a la compañía y junto a otros colegas comenzó a trabajar en este proyecto. Comenzó a investigar materiales superconductores, entre ellos el disulfuro de tantalio, que puede intercalar iones.

¿El resultado? Las interacciones que surgieron entre los iones de potasio y el disulfuro de tantalio generaron un buen caudal de energía pero el tantalio es uno de los elementos más pesados ​​y se busca generar baterías livianas, por eso fue que se reemplazó el tantalio con titanio, un elemento con propiedades similares pero mucho más ligero.

La batería de litio de Whittingham tenía iones de litio que se almacenaban en espacios del disulfuro de titanio en el cátodo (Johan Jarnestad/Real Academia de las Ciencias de Suecia ).
La batería de litio de Whittingham tenía iones de litio que se almacenaban en espacios del disulfuro de titanio en el cátodo (Johan Jarnestad/Real Academia de las Ciencias de Suecia ).

El disulfuro de titanio, a nivel molecular, tiene espacios que pueden albergar iones de litio. Esto fue importante en el desarrollo de la batería. Cabe recordar que en una batería, los electrones deben fluir desde el electrodo negativo, llamado ánodo, hacia el positivo, el cátodo. Por eso, es fundamental que el ánodo tuviera un material que liberara fácilmente electrones y en este sentido el litio fue esencial.

Así fue que el ánodo de la batería desarrollada por Whittingham estaba hecho parcialmente de litio metálico, un elemento que se destaca por la gran cantidad de electrones que libera. De este modo se obtuvo una batería con un gran potencial pero el problema es que era muy riesgosa porque el litio metálico es reactivo y, por lo tanto, podía generar explosiones fácilmente.

“Para solucionar esto, se agregó aluminio al electrodo de litio metálico y se cambió el electrolito entre los electrodos. Stanley Whittingham anunció su hallazgo en 1976 y la batería comenzó a fabricarse a pequeña escala para un relojero suizo que quería usarla en relojes con energía solar”, se cuenta en el comunicado publicado en el sitio del Premio Nobel.

El paso siguiente era comenzar con fabricación a gran escala pero para comienzos de los años 80 el precio del petróleo había tenido una abierta caída, Exxon hizo recortes y se suspendió el desarrollo. La tecnología fue licenciada a tres compañías.

Un hallazgo para generar mayor potencia

Las investigaciones fueron luego retomadas por John Goodenough. Mientras se desempeñaba como profesor de Química Inorgánica en la Universidad de Oxford se dedicó a explorar alternativas para retomar el desarrollo de las baterías de litio. Apostó a encontrar un óxido metálico en vez de un sulfuro metálico en el cátodo para generar mayor potencia. Así fue que Goodenough descubrió que la batería con óxido de litio cobalto en el cátodo, con cuatro voltios, era casi el doble de potente que la creada por Whittingham. En 1980, el investigador publicó este descubrimiento.

No se avanzó en el desarrollo de baterías a gran escala. En ese entonces, el valor del petróleo había caído, como ya se mencionó, y se perdió el interés en avanzar con el desarrollo de baterías para vehículos eléctricos.

En Japón la situación era distinta. Allí estaban muy interesados en producir baterías recargables y livianas para potenciar la industria electrónica: computadoras, teléfonos inalámbricos y cámaras de video. Así fue que el que en ese momento vio la oportunidad de seguir avanzando con las baterías de litio fue Akira Yoshino de la empresa Asahi Kasei.

Yoshino decidió desarrollar una batería recargable. Tomó el concepto del óxido de litio cobalto de Goodenough como el cátodo e investigó distintos elementos para el ánodo. El hallazgo vino de la mano del coque de petróleo, un subproducto de la industria petrolera. Los iones de litio se introdujeron en este material.

Así llegó a crear, en 1985, una batería liviana y resistente que podía cargarse cientos de veces sin perder rendimiento. La ventaja de las baterías de iones de litio es que no se basan en reacciones químicas que se rompen los electrodos, sino en iones de litio que fluyen entre el ánodo y cátodo.

La batería de litio salió al mercado en 1991 (Johan Jarnestad/Real Academia de las Ciencias de Suecia )
La batería de litio salió al mercado en 1991 (Johan Jarnestad/Real Academia de las Ciencias de Suecia )

Estas baterías se introdujeron en el mercado en 1991 y como ya se mencionó se encuentran en todo tipo de dispositivos electrónicos: desde móviles hasta vehículos eléctricos, pasando por relojes inteligentes, tablets y computadoras portátiles.

“La batería ha permitido el desarrollo de tecnologías de energía más limpia y vehículos eléctricos, contribuyendo así a reducir las emisiones de gases de efecto invernadero”, se concluye en el documento publicado por la Real Academia de las Ciencias de Suecia.

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