Premio Nobel de Química 2019 y las baterías de ión-litio

Abstract

El pasado 9 de Octubre de 2019 la Real Academia de Ciencias de Suecia decidió otorgar a John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham y AkiraYoshino el Premio Nobel de Química 2019, por “el desarrollo de baterías de iones de litio”. En su comunicado, expresó: “El Premio Nobel de Química 2019 se otorga a John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham y AkiraYoshino por sus contribuciones al desarrollo de la batería de iones de litio. Esta batería recargable sentó las bases de la electrónica inalámbrica, como teléfonos móviles y computadoras portátiles. También hace posible un mundo libre de combustibles fósiles, ya que se utiliza para todo, desde alimentar automóviles eléctricos hasta almacenar energía de fuentes renovables”.

      Si se observan las temáticas que fueron reconocidas y premiadas en los últimos años, podemos ver que este aspecto es bastante novedoso en cuanto a las decisiones de la Real Academia para otorgar el premio (ver al final de este artículo algunos ejemplos de las temáticas premiadas en los últimos años), y resalta la importancia de muchos aspectos que se entrecruzan en la ciencia moderna: la investigación básica, la investigación aplicada, los desarrollos tecnológicos y los problemas concretos que enfrentan las sociedades desarrolladas y la humanidad toda. La temática premiada en esta oportunidad, el desarrollo de las baterías de ión-litio, seguramente no le evitará al mundo de sus problemas y conflictos, tan solo podrán ser una herramienta tecnológica (y comercial) que puede contribuir a alcanzar un desarrollo futuro más sustentable.

      Pero en esta oportunidad, además de los tres científicos galardonados, existe un cuarto protagonista relevante: el litio, y es interesante dar alguna explicación de esta afirmación.

      El elemento litio se creó en el universo en los primeros minutos del Big Bang, aquel instante ocurrido hace 15 mil millones de años donde nuestro universo se formó, de acuerdo a las teorías físicas actualmente aceptadas, y la ciencia de los seres humanos lo identificó recién en el año 1817, cuando J. A.Arfwedson y J. J.Berzelius lo purificaron a partir de una muestra de mineral obtenida en una mina de Suecia. Le dieron el nombre en griego para piedra, es el tercer elemento de la tabla periódica, después del Hidrógeno y el Helio, y es el elemento sólido con carácter metálico más liviano. En la naturaleza no se lo encuentra en su estado elemental de sólido metálico, sino formado sales y en minerales formando rocas, es por ello que para obtenerlo en forma pura se lo debe fabricar artificialmente. Pero una vez en contacto con el oxígeno del aire o con agua, reacciona inmediatamente para formar su compuesto de óxido o hidróxido, por lo que es muy inestable y se lo debe almacenar en atmósfera de gases inertes o en solventes orgánicos apróticos.

      Esta “debilidad” del litio para existir como metal en nuestro ambiente es también el origen de su importante papel en esta historia. A principios de la década de 1970, Stanley Whittingham utilizó la fuerte tendencia termodinámica del litio para perder su electrón externo (único electrón ubicado en el segundo nivel de energía principal) cuando desarrolló la primera batería funcionalrecargable utilizando un ánodo de litio metálico y un cátodo de disulfuro de titanio. Más tarde, en 1980, John Goodenough duplicó el voltaje de la batería de Whittingham, empleando al óxido de cobalto como material del cátodo, creando así las condiciones adecuadas para una batería mucho más potente y útil que las existentes hasta ese momento. Estas nuevas baterías se denominaron “baterías de litio”. Pero el uso del litio metálico tenía serios inconvenientes de seguridad, ya que cuando estas baterías se recargaban muchas veces se podían producir cortocircuitos internos y la combustión, o directamente la explosión, de toda la batería. Finalmente, en 1985, AkiraYoshino logró eliminar el litio puro como material del ánodo, empleando un material de carbono que incorporaba iones de litio en la operación de recarga, y que tenía prácticamente el mismo comportamiento que el litio puro pero sin sus riesgos e inconvenientes. Esto hizo que la batería, ahora denominada “de iones de litio”, o directamente “de ión-litio”,  funcionara en la práctica y pudieran desarrollarse en escala comercial una batería recargable de alto voltaje y alta capacidad de carga, pero también con una característica de suma importancia: pequeñas y livianas.Desde ese momento, las baterías de iones de litio han brindado un enorme beneficio para la sociedad, ya que han permitido el desarrollo de computadoras portátiles, teléfonos móviles, una nueva generación de vehículos eléctricos y el almacenamiento más eficiente de la energía generada desde las fuentes de energía solar y eólica.

Fuente: The Royal Swedish Academy of Science

Litio es el primer elemento con carácter metálico en la tabla periódica. Su número atómico es 3 y su masa atómica es 6,941. Su único electrón en el segundo nivel de energía tiende una fuerte tendencia termodinámica a escapar del átomo hacia alguna especie química aceptora, dejando un catión Li⁺, lo que determina la muy alta reactividad química de este metal en estado puro.

      Para comprender mejor el alcance de la temática premiada por la Real Academia, debemos repasar brevemente algunos aspectos relevantes ocurridos en las últimas décadas y que marcaron el camino que condujo a este premio.