Híbridos y Eléctricos

TRES INVESTIGADORES: GOODENOUGH, WHITTINGHAM Y YOSHINO

Las baterías de iones de litio, premio Nobel de Química 2019

Goodenough, Whittingham y Yoshino han recibido el premio Nobel de Química 2019 por el desarrollo y la creación de las baterías de iones de litio presentes hoy en la electrónica de consumo y en los vehículos eléctricos y por su aportación al uso de energías renovables.

El desarrollo y la comercialización de las baterías de litio, premio Nobel de Química 2019.
El desarrollo y la comercialización de las baterías de litio, premio Nobel de Química 2019.

La Real Academia de Ciencias de Suecia ha otorgado el Premio Nobel de Química 2019 a tres destacados investigadores que han dedicado su trabajo al desarrollo de las baterías de iones de litio. El estadounidense John B. Goodenough, el británico Stanley Whittingham y el japonés Akira Yoshino comparten este prestigioso premio como reconocimiento a la importancia que hoy en día tiene las baterías de litio, presentes en la electrónica de consumo, en los vehículos eléctricos y en los sistemas de almacenamiento de energía, contribuyendo al uso de fuentes renovables.

Cada año, la Academia Sueca otorga los cinco premios Nobel (paz, medicina, química, física y literatura) establecidos en el testamento de Alfred Nobel en 1895, a aquellas personas o instituciones que, en el año anterior o en el transcurso de sus actividades, “hayan llevado a cabo investigaciones, descubrimientos o contribuciones notables a la humanidad”​.

Según el comunicado de la Academia, “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 de gran beneficio para la humanidad. Se utilizan en todo el mundo para alimentar los dispositivos electrónicos portátiles que utilizamos para comunicarnos, trabajar, estudiar, escuchar música y ampliar nuestros conocimientos. También han permitido el desarrollo de automóviles eléctricos de largo alcance y el almacenamiento de energía procedente de fuentes renovables, como la solar y eólica”.

Goodenough, Whittingham y Yoshino premio Nobel de Química 2019

Goodenough, Whittingham y Yoshino premio Nobel de Química 2019.

En particular, la investigadora y profesora Sara Snogerup-Linse, miembro del Comité Nobel de Química, en relación con el uso de las baterías de litio en los vehículos eléctricos, ha afirmado que estas “ya no pesan dos toneladas sino 300 kilogramos”. Además, su capacidad para almacenar energía procedente de fuentes renovables “abre al consumo de energía sostenible”.

La ventaja de las baterías de iones de litio es que no se basan en reacciones químicas que descomponen los electrodos, sino en iones de litio que fluyen de un lado a otro entre el ánodo y el cátodo. Una batería de litio básica funciona haciendo que los iones de litio se desplacen entre el cátodo o electrodo positivo y el ánodo o electrodo negativo a través del electrolito líquido que se sitúa entre ellos. Cuando está en proceso de descarga los iones se liberan del ánodo y viajan hasta el cátodo y cuando la batería se conecta a un cargador, ocurre lo contrario y la batería se recarga.

Así llegó la batería de litio

Durante la crisis del petróleo en la década de 1970, Stanley Whittingham, de la Universidad SUNY Binghamton, trabajó en el desarrollo de métodos destinados al uso de energías generadas sin necesidad de usar combustibles fósiles. Comenzó a investigar los superconductores y descubrió que el disulfuro de titanio era un material extremadamente rico en energía y apropiado para formar parte del cátodo de una batería. Para el ánodo utilizó, parcialmente, litio metálico, que tiene una gran capacidad para liberar electrones.

La batería de Whittingham.

La batería de Whittingham.

A nivel molecular, el disulfuro de titano deja espacios en los que se pueden intercalar los iones de litio, lo que literalmente suponía que esta arquitectura daba lugar a una batería con un gran potencial, un poco más de dos voltios. Sin embargo, el litio metálico es reactivo y la batería era demasiado propicia a las explosiones cuando se recargaba repetidamente, lo que no permitía su viabilidad.

John Goodenough, de la Universidad de Texas en Austin, afirmaba que teóricamente, el cátodo podría tener un potencial aún mayor si se utilizara en su composición un óxido metálico en lugar de un sulfuro metálico. Después de una búsqueda sistemática, en 1980 demostró que el óxido de cobalto, que reemplazaba al disulfuro de titanio, con iones de litio intercalados, puede producir hasta cuatro voltios, lo que supuso un importante avance que posteriormente conduciría a baterías mucho más potentes.

La batería de Goodenough

La batería de Goodenough.

Con el cátodo de Goodenough como base, Akira Yoshino, un químico japonés miembro de Asahi Kasei Corporation y profesor de la Universidad Meijo, creó en 1985 la primera batería de iones de litio comercialmente viable. En lugar de usar litio reactivo en el ánodo, usó coque de petróleo, un material de carbono que, como el óxido de cobalto del cátodo, puede intercalar iones de litio. El resultado fue una batería mucho más segura, ligera y resistente que podía cargarse cientos de veces antes de que su rendimiento se deteriorara significativamente.

La batería de Yoshino

La batería de Yoshino.

Hoy las baterías de iones de litio, que funcionan a 400, e incluso a 800 voltios, son susceptibles todavía de mayor desarrollo con el uso de nuevos materiales para los electrodos, el electrolito por el que viajan los iones y los separadores que actúan como una barrera física impidiendo el contacto entre los dos electrodos al tiempo que permiten la transferencia de iones.

El futuro de la batería de litio

Los expertos y visionarios de las energías limpias afirman que el mundo necesita una nueva tecnología de baterías capaz de reducir el peso y el volumen aumentando la densidad de energía y la velocidad de carga. Sin embargo, lo que comenzó en la electrónica de consumo, en ordenadores y teléfonos móviles y acabó trasladándose a los vehículos eléctricos y a los sistemas de almacenamiento ha creado a lo largo de los años una ventaja competitiva importante, sobre todo en cuestión de procesos de fabricación y costes producción, que a otras las tecnologías alternativas les es complicado igualar.

Esta ventaja se ampliará a medida que se pongan en marcha las nuevas fábricas de baterías en China, Corea, Estados Unidos o Europa. Los miles de millones de euros que se están invirtiendo en ellas crearán un poderoso incentivo para que la industria siga afinando esta tecnología cuyo precio ha caído un 85% desde 2010. El impulso proporcionado por la electrificación de la industria del automóvil ha provocado que la capacidad mundial de fabricación de baterías de iones de litio se haya triplicado en los últimos cinco años. La capacidad es ahora de 302,2 GWh, que se verán incrementados con otros 603,8 GWh en los próximos cinco años, según datos de BloombergNEF.

Las nuevas tecnologías prometen, entre otras cosas, eliminar el electrolito inflamable que se encuentra entre los electrodos y puede ocasionar que las baterías de litio se incendien de forma ocasional, sustituyéndolo por un compuesto sólido o polimérico. Sin embargo estas investigaciones no buscan reemplazar las baterías de iones de litio sino mejorarlas.

Conversaciones: