ITESO. UNIVERSIDAD JESUITA DE GUADALAJARA

En busca de la batería perfecta

Oct 21, 2019 | CIENCIA Y TECNOLOGÍA, QUÍMICA |

 El más reciente premio Nobel de Química para John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham y Akira Yoshino nos recuerda el desafío socioambiental de demandar energía.
POR FERNANDO HERNÁNDEZ RAMÍREZ, 
COORDINADOR DE INGENIERÍA QUÍMICA

El premio Nobel de química 2019 ha sido otorgado a John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham y Akira Yoshino por sus contribuciones al desarrollo de las baterías de iones de litio. Para entender por qué el desarrollo de estos dispositivos ha sido tan trascendente para la humanidad, necesitamos recorrer algo de historia.

La electricidad consiste en el movimiento ordenado de electrones a través de un medio conductor. Este flujo ordenado de electrones es capaz de realizar trabajo: encender una lámpara, hacer girar un motor, calentar una resistencia, y otros más. Para conseguir que los electrones se muevan de manera ordenada, necesitamos una fuente de voltaje, un dispositivo que genere una diferencia de potencial.

El primer dispositivo capaz de convertir energía química en energía eléctrica fue la pila voltaica, inventada por el científico italiano Alessandro Volta cerca de 1800. Constaba de discos de cobre y zinc, o de plata y zinc, separados por un paño empapado en salmuera (agua y sal) y apilados uno sobre otro. Es consecuencia de este arreglo que le llamemos pilas a lo que técnicamente se denomina como celdas galvánicas primarias. Los descubrimientos de Volta abrieron el camino para la experimentación, y pronto otros científicos se encontraron buscando nuevas pilas eléctricas.

Las primeras pilas eran poco robustas y difíciles de operar. Con frecuencia utilizaban soluciones acuosas de ácidos o sales que, además de peligrosas, se derramaban fácilmente y emitían gases tóxicos. A pesar de estos problemas, las pilas húmedas llegaron a comercializarse. Por ejemplo, la pila de Daniell, que se fabrica con electrodos de cobre y zinc sumergidos en soluciones acuosas de sus sales, fue la fuente de energía que impulsó el desarrollo de la telegrafía a mediados del siglo XIX. La pila de Daniell proporciona un voltaje prácticamente constante, cercano a 1.0 voltios, y se fabrica a partir de materiales baratos, lo cual ayudó mucho a su comercialización.

En 1866, el científico francés Georges Leclanché desarrolló una pila basada en un electrodo negativo de zinc, un electrolito de cloruro de amonio y un electrodo positivo de carbón. Agregó un poco de dióxido de manganeso alrededor del electrodo de carbón y con ello consiguió que la celda pudiera entregar más corriente. La pila de Leclanché, también llamada pila de carbón-zinc, entrega un voltaje cercano a 1.5 voltios, y se utilizó como fuente de energía para timbres domésticos y telégrafos. Poco después, cerca de 1885, el médico alemán Carl Gassner tuvo la idea de inmovilizar el electrolito agregando yeso y almidón para convertirlo en una pasta. Ahora el electrolito ya no se evaporaba ni se derramaba tan fácilmente: había nacido la pila seca. Las pilas secas pueden fabricarse como dispositivos sellados; no contienen líquido y pueden usarse en cualquier posición. Las pilas secas de carbón-zinc todavía se fabrican en tamaños estándar que llamamos AAA, AA, C y D. Cambiando simplemente el electrolito de cloruro de amonio por uno de hidróxido de potasio, obtenemos las pilas alcalinas que conocemos en el comercio. Entregan el mismo voltaje (1.5 voltios), pues están hechas de los mismos materiales de electrodo, pero pueden entregar corrientes más elevadas por mayor tiempo.

Todas las pilas que hemos descrito hasta ahora tienen un inconveniente grave: proporcionan energía de un solo uso. Una vez que los reactivos de la celda se agotan, la pila deja de funcionar. Estas celdas primarias son costosas, y los materiales no son fáciles de recuperar o reciclar, pues al final de la reacción química se han convertido en otros productos. No es posible revertir las reacciones aplicando una diferencia de potencial externa. De hecho, si hacemos esto ¡lo más seguro es que la pila explote!

Los desafíos de la batería sinfín

Las celdas galvánicas secundarias buscan mitigar este problema. Escogiendo apropiadamente los materiales de los electrodos y el electrolito, podemos encontrar sistemas en los que las reacciones químicas pueden revertirse aplicando una diferencia de potencial externa. Es decir, durante la descarga la pila trabaja normalmente; una vez descargada, aplicamos un voltaje externo y convertimos los productos de reacción a su forma original, que son los reactivos de la celda. Esto es lo que llamamos una batería recargable o acumulador.

La primera batería recargable fue el acumulador de plomo-ácido, inventado por Gastón Planté en 1859. Cuando está cargado, el electrodo negativo del acumulador es una placa de plomo, y el electrodo positivo es una placa de plomo impregnada con dióxido de plomo. Cuando está descargado, ambos electrodos se convierten en sulfato de plomo. El electrolito es una solución de ácido sulfúrico. La batería de Planté es muy eficiente. Soporta cientos de ciclos de carga y descarga sin dañar-se, entrega altas densidades de corriente, y un voltaje elevado. La mayoría de nosotros la seguimos usando, todos los días, en nuestro automóvil.

Sin embargo, la batería de plomo-ácido también tiene graves inconvenientes. El plomo es tóxico, y las baterías usadas son fuente de contaminación. Además, son extremadamente pesadas, lo cual las vuelve imprácticas para otros usos. Por ejemplo, es inimaginable usar una batería de este tipo para un marcapasos, una misión espacial, o una computadora portátil.

La densidad de energía de una batería es la cantidad de energía eléctrica que puede entregar por unidad de peso. Más densidad de energía significa más capacidad de operación con menos peso. La batería de plomo-ácido es un ejemplo de una batería con baja densidad de energía: es capaz de entregar corrientes elevadas por largo tiempo, pero pesa mucho. ¿No sería ideal tener una batería que entregue un voltaje elevado, proporcione una corriente alta, y sea ligera? ¿Es acaso demasiado pedir?

Es aquí donde el litio hace su aparición. El litio, símbolo químico Li, es el tercer elemento de la tabla periódica, y el metal más ligero que existe. Es muy reactivo: se oxida instantáneamente al contacto con el aire, y se inflama al contacto con el agua. En la naturaleza solo es es-table en su forma oxidada, el ion Li+. Esto significa que ni el agua ni el aire pueden formar parte de una batería de litio.

En 1958, William S. Harris mostró en su tesis doctoral que los carbonatos orgánicos, específicamente el carbonato de propileno, podrían usarse como solventes de sales de litio. Estos electrolitos orgánicos (libres de agua) abrieron el camino al desarrollo de la batería de litio.

Las primeras ideas para construir baterías con este metal las presentó M. Stanley Whittingham en 1973. Descubrió que los iones de Li+ podían intercalarse dentro de algunos materiales, como el sulfuro de titanio. Los iones de litio son muy pequeños, y pueden moverse dentro de la estructura cristalina del material, el cual actúa como un almacén de iones de litio. Para 1976, Whittingham ya tenía un prototipo de batería funcionando.

En cualquier batería, llamamos ánodo al electrodo negativo y cátodo al positivo. La batería de Whittingham usaba un ánodo de litio metálico, perclorato de litio en dioxolano como electrolito, y un cátodo de sulfuro de titanio. Estas baterías resultaron peligrosas y poco estables, ya que el litio metálico te-nía la tendencia a formar dendritas (formaciones de metal largas y ramificadas, a manera de “bigotes de gato”) que causaban corto circuito entre los electrodos. Las baterías se inflamaban y explotaban espontáneamente. Este problema nunca se pudo resolver, y eventualmente se dejaron de fabricar.

Por estas y otras razones, los científicos comenzaron a pensar en una nueva batería de litio, en la que ambos electrodos usaran materiales capaces de intercalar (atrapar) iones de litio, prescindiendo del peligroso metal. El parteaguas ocurrió en 1980, cuando John B. Goodenough y sus colaboradores en la universidad de Oxford descubrieron que el óxido de cobalto, CoO2, podía intercalar iones de litio sin cambiar dramáticamente sus dimensiones. Este material resultó idóneo para usarse como cátodo.

Cinco años después, el grupo de investigación de Akira Yoshino en Japón desarrolló electrodos a base de un tipo especial de carbón de coque que presentaba dominios cristalinos similares al grafito, combinados con dominios amorfos. Estos electrodos de carbón eran capaces de acomodar grandes cantidades de iones de litio, y podían emplearse como ánodos de la celda.

El resto de la historia transcurrió rápidamente. Yoshino desarrolló una batería de iones de litio eficiente y segura, usando el cátodo de Goodenough y su propio ánodo de carbón. Pronto se comercializaron baterías con voltajes de hasta 4.2 V y altas densidades de energía.

Actualmente, la tecnología que disfrutamos es imposible de imaginar sin las baterías de litio. Las encontramos en los teléfonos celulares, las cámaras fotográficas, las computadoras portátiles y en casi cualquier dispositivo recargable. Revolucionaron la forma en que trabajamos y abrieron la puerta a nuevas tecnologías, como los autos híbridos. Podrían ser la respuesta al problema de almacenamiento de energía que ha limitado la expansión del uso de energías renovables como la eólica, la del movimiento de las mareas y la solar.

Como todo, el uso de esta nueva tecnología trajo sus propios desafíos. Nuestros dispositivos electrónicos exigen cada vez más energía en menor tamaño, y de cuando en cuando escuchamos sobre un teléfono celular cuya batería se sobrecalentó y estalló, como en los viejos tiempos.

Tal vez has sufrido el hinchamiento de una batería de litio, consecuencia de la intercalación irreversible de iones en los electrodos, que se van degradando con el tiempo. Un problema medioambiental importante es la cantidad de baterías de litio que desechamos. Cada vez encontramos con más frecuencia al litio como contaminante del agua y el suelo.

Evidentemente, estamos lejos de la batería perfecta. Los ingenieros y científicos continúan trabajando en el desarrollo de nuevos materiales que permitan almacenar energía de manera segura, barata y eficiente. La caja de pandora que destapó Volta sigue siendo un área de investigación fascinante de la electroquímica.

Si deseas conocer más sobre el premio Nobel de química puedes leerlo en www.nobelprize.org/pri-zes/chemistry/2019/press-release/

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