Un elemento químico rara vez desempeña un papel central, pero la historia del Premio Nobel de Química de 2019 tiene un claro protagonista: el litio, un elemento que se creó durante los primeros minutos del Big Bang.

Berzelius dio nombre al nuevo elemento derivándolo de  la palabra griega “litos” (piedra). A pesar de su nombre, es el elemento sólido más ligero, lo cual es una buena noticia para todos los que usamos teléfonos móviles.

La debilidad del litio, su gran reactividad, es también su fortaleza. A principios de la década de 1970, Stanley Whittingham utilizó la enorme facilidad con la que el litio pierde su electrón para desarrollar la primera batería de litio. En 1980, John Goodenough duplicó el potencial de la batería, creando las condiciones adecuadas para una batería mucho más potente y útil. En 1985, Akira Yoshino logró eliminar el litio puro de la batería, utilizando únicamente iones litio, más seguros que el litio puro.

Las baterías de iones litio han aportado grandes beneficios a la humanidad, ya que han permitido el desarrollo de ordenadores portátiles, teléfonos móviles, vehículos eléctricos y el almacenamiento de la energía generada por la energía solar y eólica.

Retrocederemos cincuenta años en el tiempo, hasta el comienzo de la historia de la batería de iones litio.

La amenaza del agotamiento del petróleo motivó que un gigante petrolero, Exxon, se decidiera a diversificar sus actividades. Haciendo una importante inversión en investigación básica, reclutaron a algunos de los investigadores más importantes en el campo de la energía y les dieron prácticamente una libertad total  con la única condición de que no involucraran al petróleo en sus investigaciones.

Stanley Whittingham fue uno de los que se mudaron a Exxon en 1972. Venía de la Universidad de Stanford, donde había investigado con materiales sólidos con espacios del tamaño de un átomo en los que se pueden introducir iones cargados. Las propiedades de los materiales cambian cuando los iones se intercalan en su interior. En Exxon, Stanley Whittingham y sus colegas comenzaron a investigar materiales superconductores, como el disulfuro de tántalo, en los que se puede intercalar iones. Agregaron iones al disulfuro de tántalo y estudiaron cómo afectaba a su conductividad

Resultó que los iones de potasio afectaban la conductividad del disulfuro de tántalo. Estudios más detallados mostraron que  proporcionaba una densidad de energía muy alta. Las interacciones entre los iones de potasio y el disulfuro de tántalo eran sorprendentemente ricas en energía y cuando se midió el voltaje del material, obtuvieron un par de voltios, mejor que el proporcionado por muchas de las baterías de esa época. Sin embargo, el tántalo es un elemento pesado y el mercado no demandaba baterías pesadas, por lo que cambió el tántalo por titanio, un elemento que tiene propiedades similares pero mucho más liviano.

Aquí es donde el litio entra en la historia. En una batería los electrones deben fluir desde el electrodo negativo, el ánodo, al positivo, el cátodo. Por lo tanto, el ánodo debe contener un material que ceda fácilmente sus electrones y, de todos los elementos, el litio es el que libera electrones con mayor facilidad.

El resultado fue una batería de litio recargable que funcionaba a temperatura ambiente y - literalmente- tenía un gran potencial.

Exxon decidió desarrollar una batería comercialmente viable utilizando el descubrimiento de Whittingham.

Desafortunadamente surgieron algunos contratiempos. A medida que la  batería  se recargaba, en el electrodo de litio crecían finos hilos que cuando alcanzaban el otro electrodo producían cortocircuitos que podían provocar una explosión.

Para hacer la batería más segura se añadió aluminio al electrodo de litio metálico y se cambió el electrolito.. Stanley Whittingham anunció su descubrimiento en 1976 y la batería comenzó a fabricarse a pequeña escala para un relojero suizo que quería usarla en unos nuevos relojes

El siguiente objetivo era escalar la batería de litio recargable para poder alimentar un automóvil, pero el precio del petróleo cayó espectacularmente a principios de la década de 1980 y Exxon necesitaba hacer recortes. El desarrollo se suspendió y la tecnología de baterías de Whittingham se licenció a tres compañías diferentes en tres partes diferentes del mundo. Sin embargo esto no significaba que el desarrollo se detuviera. Cuando Exxon se rindió, John Goodenough se hizo cargo.

John Goodenough conocía la revolucionaria batería de Whittingham, pero su conocimiento del mundo atómico le decía que podrían obtenerse mayores potenciales si el cátodo se construyera utilizando un óxido de en lugar de un sulfuro. Algunas personas de su grupo de investigación se encargaron de encontrar un óxido de metal que produjera un alto voltaje al intercalar iones de litio, pero que no colapsara cuando se eliminaran los iones.

La búsqueda fue más exitosa de lo que John Goodenough se habría atrevido a esperar. La batería de Whittingham generó más de dos voltios, pero Goodenough descubrió que la batería con óxido de litio-cobalto en el cátodo era casi el doble de potente, daba 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 baterías potentes de alta capacidad. Este fue un paso decisivo hacia la revolución inalámbrica.

Cuando Akira Yoshino decidió desarrollar una batería recargable se utilizaba el óxido de litio-cobalto de Goodenough como cátodo y él probó varios materiales a base de carbono como ánodo. Los investigadores habían demostrado previamente que los iones litio podrían intercalarse entre las capas moleculares del grafito, pero el electrolito de la batería descompuso el grafito. El momento eureka de Akira Yoshino llegó cuando intentó usar coque de petróleo, un subproducto de la industria petrolera. Cuando cargó el coque de petróleo con electrones, los iones litio se introdujeron en el material. Luego, cuando encendió la batería, los electrones y los iones de litio fluyeron hacia el óxido de cobalto en el cátodo, que tiene un potencial mucho mayor.

La batería desarrollada por Akira Yoshino es estable, liviana, tiene una gran capacidad y produce cuatro voltios.

 La mayor ventaja de la batería de iones litio (Li-ion) es que los iones están ocluidos en los electrodos. La mayoría de las  baterías se basan en reacciones químicas en las que los electrodos terminan deteriorándose y deben ser cambiados. Cuando se carga o usa una batería de iones de litio los iones fluyen entre los electrodos sin reaccionar con su entorno. Esto significa que la batería tiene una larga vida útil y puede cargarse cientos de veces antes de que se deteriore.

Otra gran ventaja es que la batería no tiene litio puro. En 1986, cuando Akira Yoshino estaba comprobando la seguridad de la batería, por precaución, utilizó una instalación diseñada para probar dispositivos explosivos. Dejó caer un trozo de hierro sobre la batería y no pasó nada. Sin embargo al repetir el experimento con una batería que contenía litio puro hubo una explosión violenta.

Pasar las pruebas de seguridad fue fundamental para el futuro de la batería. Akira Yoshino dice que este fue el momento en que nació la batería de iones litio.

Como es natural la producción de baterías Li-ion tiene un impacto en el medio ambiente, pero también tiene enormes beneficios ambientales. Ha permitido el desarrollo de tecnologías de energía más limpia y vehículos eléctricos, contribuyendo así a reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y partículas.

A través de su trabajo, Stanley Whittingham, John Goodenough y Akira Yoshino han creado las condiciones adecuadas para una sociedad inalámbrica y libre de combustibles fósiles, un gran beneficio para la humanidad.