En 2019, John B. Goodenough, se convirtió en el ganador del premio Nobel de Química con mayor edad al momento de recibirlo: 97 años. Él, junto con M. Stanley Whittingham y Akira Yoshino, recibieron el Nobel de Química por sus contribuciones al desarrollo de las baterías de litio.
El litio es un elemento químico que posee 3 electrones: uno solitario en su capa más externa y dos en la capa interior. Ese electrón "solitario" es el que hace al litio sumamente reactivo: el electrón busca "fugarse" a la menor oportunidad para formar parte de otro átomo u elemento (por eso el litio se almacena en aceite para evitar su reacción con el aire, por ejemplo). Cuando eso sucede, el átomo de litio ahora es un ion de litio que resulta más estable.
En los años 70's, Stanley Whittingham aprovechó la reactividad del litio para deshacerse de ese electrón en la capa exterior para crear la primera batería de litio funcional. Luego, en 1980, John Goodenough logró desarrollar una batería de litio con el doble de potencial. Cinco años después, Akira Yoshino crearía baterías pero de iones litio, haciéndolas más seguras y prácticas para su uso en laptops, teléfonos celulares y autos eléctricos.
El desarrollo de baterías "poderosas" que permitan suplir poco a poco nuestra dependencia del petróleo es un tema no sólo medioambiental sino geopolítico: el país que tiene reservas naturales de litio es objeto de codicia para muchas empresas o países. Los "centros" de poder político podrían moverse hacia aquellos países que poseen los recursos que tienen el potencial de moldear el terreno energético.
El reto de migrar completamente a tecnologías energéticas más amables con el medio ambiente no será fácil y tomará tiempo. Básicamente, resulta difícil hallar un combustible o batería con una densidad energética que rivalice con el de la gasolina, por ejemplo.
En 2013, la Administración de Información Energética de los Estados Unidos (EIA, por sus siglas en inglés) mostró una gráfica donde se comparan diversos combustibles para el transporte dependiendo de su densidad energética por masa y volumen, siendo la gasolina el combustible "estándar" o de comparación. Desde este punto de vista, lo ideal sería contar con combustibles ubicados en la esquina superior derecha: mayor energía en un menor espacio. En aquel entonces, algunas baterías se hallaban en la esquina opuesta: poca densidad energética y mayor espacio de almacenamiento.
Y esto es algo que algunas de las grandes petroleras visualizaron hace casi medio siglo. Por ejemplo, desde los 70's, Exxon comenzó a pensar en diversificar su cartera de energéticos, así que contrató a varios científicos para que idearan nuevas formas de obtener/almacenar energía. Uno de estos científicos era Stanley Whittingham quien, junto con otros colaboradores, comenzaron a "jugar" con materiales superconductores, como el disulfuro de tantalio. Stanley y su grupo descubrieron que los iones de potasio, al interactuar con el disulfuro, aumentaban la densidad energética, llegando a medir algunos volts de potencia, lo cual hacía a éste material una batería competitiva para los estándares de aquellos años. El grupo de Stanley se dio cuenta del potencial para el mercado energético y continuaron experimentando con otros metales, y al final sustituyeron al tantalio por el titanio, el cual es más ligero y con propiedades similares.
Hasta este momento, Stanley Whittingham contaba con el cátodo de la batería (la parte positiva compuesta por el disulfuro de titanio), es decir, hacia donde "viajan" los electrones. Ahora necesitaba un elemento químico muy propenso a "donar" electrones (el ánodo de la batería). En este sentido, el litio es una muy buena opción.
Stanley llevó esta idea de batería recargable a los laboratorios de Exxon y comenzaron a trabajar en los prototipos. Pero las cosas no fueron muy bien. Los investigadores se dieron cuenta que con cada ciclo de carga, el litio formaba dendritas que podían llegar hasta el cátodo (el lado positivo de la batería), ocasionando cortocircuitos que causaban incendios o explosiones en el peor de los casos. Una batería con ese potencial de daño al consumidor nunca llegaría a los anaqueles de las tiendas.
La batería desarrollada por Stanley Whittingham. Tomado de la página del premio Nobel.
El grupo de Stanley continuó perfeccionando la batería hasta que solucionaron el problema de las dentritas añadiendo aluminio al electrodo de litio y cambiaron el tipo de electrolito en la batería. Para ese entonces, finales de los 70's e inicios de los 80's, vino una caída en los precios del petróleo (menos ganancias), y Exxon descontinuó la investigación para ahorrar algunos dólares. Sin embargo, la tecnología desarrollada logró licenciarse a tres compañías en distintas partes del mundo.
Consciente de la investigación de Stanley Whittingham en Exxon, John Goodenough apuntó por una mejora al prototipo ya desarrollado usando óxido de cobalto en la parte positiva en lugar de disulfuro de titanio. El resultado es que logró obtener una batería hasta con una potencia de hasta 4 Volts (recordemos que las baterías AA son de 1.5 Volts). Nada mal.
Batería desarrollada por John Goodenough. Imagen tomada de la página del premio Nobel.
Mientras tanto, las compañías electrónicas en Japón estaban más interesados en miniaturizar artículos electrónicos como teléfonos, televisores, cámaras de video, reproductores de MP3, etc. Una de estas compañías, Asahi Kasei, contaba entre sus miembros a Akira Yoshino. Él conocía algunos intentos de usar grafito (como el de los lápices) y litio en el ánodo (parte negativa de la batería), pero esta mezcla de materiales resultaba muy frágil en la operación. Sin embargo, Akira decidió probar con coque del petróleo. Cargando eléctricamente el coque de petróleo descubrió que los iones de litio eran atraídos por él y, cuando ponía en operación la batería, estos iones litio y los electrones fluían hasta el cátodo hecho de óxido de cobalto, logrando igualar la potencia del diseño de John Goodenough.
Batería desarrollada por Akira Yoshino. Imagen tomada de la página del premio Nobel.
Para 1991, las baterías de iones litio comenzaron a venderse, lo cual condujo a una revolución en el mercado de los dispositivos electrónicos. Por ello, no es de extrañar que las grandes compañías tecnológicas y los países desarrollados estén buscando garantizar su cadena de suministro del llamado "oro blanco": el litio. Pueden consultar más detalles sobre el desarrollo de las baterías de ion litio aquí.
Esta semana, a propósito del litio, ¿hay alternativas por si el Estado Mexicano no logra hacer rentable la explotación del litio?
Este artículo se publicó originalmente en el portal de Cadena Política el 27 de abril de 2022.
https://elrincondelcapitannemo.wordpress.com/2022/04/29/mas-alla-del-litio/