Acta Herediana vol. 62, N° 1, enero 2020 - junio 2020
1 Doctor en Ciencias Biomédicas. Laboratorio de Moléculas
Individuales, Facultad de Ciencias y Filosofía ACT, UPCH.
Baterías que están camBiando
el mundo. Premio noBel
de química 2019
Batteries that are Changing the world. 2019 Nobel Prize in
Chemistry
Daniel Guerra Giráldez
1
RESUMEN
El Premio Nobel de Química 2019 fue otorgado a John B.
Goodenough, M. Stanley Whittingham y Akira Yoshino por sus
aportes al desarrollo de las baterías de litio. Con sus investigaciones,
ellos han creado las condiciones para una sociedad futura
inalámbrica y libre de combustible fósil. Así, se producirán grandes
cambios en lo social, ambiental, económico y geopolítico cuando
las baterías de litio alimenten la mayoría de los automóviles,
fábricas y casas.
Palabras claves: Premio Nobel, química, batería, litio.
ABSTRACT
The 2019 Nobel Prize in Chemistry was awarded to John Goodenough,
M. Stanley Whittingham and Akira Yoshino by the contributions to
the development of lithium-ion batteries. Through their researches,
they have created the conditions for a wireless and fossil fuel-
free future society. So, there will be major social, environmental,
economic and geopolitical changes when lithium batteries feed
most cars, factories and homes.
Keywords: Nobel Prize, chemistry, battery, lithium.
E
l Premio Nobel de Química 2019 fue
otorgado a John B. Goodenough, M.
Stanley Whittingham y Akira Yoshino
por sus aportes al desarrollo de las baterías
de litio. Décadas de descubrimientos y
acumulación de mejoras ya revolucionaron
los dispositivos móviles. Ahora, estas nuevas
baterías comienzan a alimentar automóviles y
distritos enteros.
De izquierda a derecha: John B. Goodenough,
M. Stanley Whittingham y Akira Yoshino
Todos los aspectos de nuestra forma de vivir
giran en torno a un uso cada vez mayor de
energía. Las fuentes renovables como la
hidráulica, solar o eólica pueden producir una
alta potencia pero, por lo general, esta debe
ser utilizada inmediatamente o se pierde. Es
difícil imaginarlo, pero al encender una luz
en la ciudad, esa energía fue generada hace
pocos segundos por una turbina en una caída
de agua lejos de allí. En cambio, un litro de
gasolina puede entregar 9 kWh hoy, mañana
o dentro de unos años, sin perder en nada su
capacidad. En todo el mundo reconocemos los
problemas ambientales relacionados con los
combustibles fósiles pero, para abandonarlos
y que las energías renovables puedan cubrir
nuestra demanda, estas no solo deben entregar
la cantidad de energía suciente sino que
además deben acumularse y transportarse
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fácilmente. Almacenar energía en un volumen
reducido, de manera estable y con alta
potencia es, por ende, un dilema clave para la
economía y la esperanza de mitigar el cambio
climático global. Veremos, no obstante, que
sigue siendo muy difícil vencer las virtudes de
los compactos y durables combustibles fósiles.
Todos los que usamos dispositivos portátiles
hemos notado el vertiginoso avance en la
capacidad de las baterías. Los dispositivos
electrónicos usan relativamente poca potencia,
por lo que incluso pequeñas mejoras en las
baterías han impulsado grandes cambios en
su desempeño y empleabilidad diaria. Es
afortunado que la utilidad de las computadoras
y teléfonos portátiles haya promovido este
desarrollo, al punto que las baterías de hoy
comienzan a ofrecer alternativas para incluso
echar a andar automóviles.
El principio general de funcionamiento de
cualquier batería tradicional (voltaica o
galvánica) es el mismo: un ánodo y un cátodo,
separados por un electrolito, que sufren
reacciones de óxido-reducción que entregan y
reciben electrones en un circuito. Los electrones
viajan del ánodo al cátodo pasando de un
estado de alta energía a otro de baja energía.
En consecuencia, el voltaje de la batería está
determinado físicamente por la diferencia de
energía potencial que tienen los electrones
cuando están asociados al ánodo (alta) y la
que tienen cuando se asocian al cátodo (baja).
Cuando el material del ánodo termina de
oxidarse, o el cátodo termina de reducirse, la
batería ha entregado ya toda la energía que
tenía almacenada.
Desde mediados del siglo XX hubo interés
en el litio como posible componente de un
nuevo tipo de baterías ya que es el elemento
que más fácilmente dona un electrón.
Con esta motivación, por muchos años se
fueron logrando avances respecto de cómo
manejar este material que, aunque era muy
prometedor, también era muy reactivo y
había que protegerlo del agua y del aire. La
minuciosa y larga investigación con materiales
que intercalaban átomos y iones indujo, luego,
a un radical cambio de ideas. Se observó que
ciertos iones podían viajar en sustancias sólidas
a gran velocidad, y que era además posible
albergar estos iones de manera reversible. Así,
M. Stanley Whittingham logró desarrollar
Figura 1. Principio general de funcionamiento de una batería. El ánodo se oxida y entrega electrones al circuito.
El cátodo se reduce tomando electrones del circuito. Como ejemplo se muestran las reacciones de una batería de
plomo ácido, conocida por utilizarse en los automóviles comunes. En azul, los cambios de estados de oxidación
del plomo de cada electrodo como una semirreacción simplicada.
Ilustración de uso libre © Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences.
Electrodo
Electrodo
Electrolito
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una batería en la que el litio funcionaba como
ánodo y los iones Li
+1
viajaban como parte
del electrolito hasta acomodarse en el cátodo
(Figura 2). Además, introduciendo una fuente
de energía externa, se podía inducir el camino
inverso con altas tasas de transferencia,
logrando así una batería recargable.
Lamentablemente, el ánodo de litio metálico
resultó peligroso. Durante la fase de recarga,
el ion Li+1 que viaja de regreso a formarse
como metal puede irse depositando en
forma de largos ‘bigotes’; estos pequeños
cables, si llegan a alcanzar al cátodo, causan
un cortocircuito (Figura 3). Los laboratorios
que accidentalmente observaron estas
fuertes descargas de energía sufrieron varios
incendios.
La solución denitiva llegó gracias a los aportes
de las investigaciones de John B. Goodenough
y Akira Yoshino que permitieron desarrollar
una batería en la que se prescinde totalmente
del litio metálico. Así, tanto el ánodo como
el cátodo están formados por materiales
Figura 2. Primeras baterías de litio. El ánodo está construido de litio metálico. El Li0 entrega electrones
al circuito y los iones Li+1 resultantes viajan hacia el cátodo. El cátodo está constituido por disulfuro
de titanio, un material con capacidad de recibir electrones y albergar iones Li+1 intercalados.
Ilustración de uso libre © Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences.
Figura 3. Un caso peligroso. El ánodo de litio metálico se deforma
tras varios usos. Las prolongaciones de litio causan un cortocircuito
y una descarga violenta de energía. Para lograr mayor seguridad, el
desarrollo de las nuevas baterías abandonó el uso del litio metálico
como ánodo.
Ilustración de uso libre © Johan Jarnestad/The Royal Swedish
Academy of Sciences.
intercaladores, y el ion Li+1 puede viajar de
manera reversible entre ellos. Esta batería
(Figura 4) utiliza grato en el ánodo, que
alberga átomos de litio de manera intercalada.
Rodeado de grato, el litio está protegido
de reaccionar con aire o agua por tiempo
prácticamente indenido. Al conectarse, el
átomo Li0 que es altamente inestable puede
Litio
metálico
terminaciones
Ión litio
Electrón
Barrera
Electrolito
Cátodo
Disulfuro de titanio
Ánodo: litio
metálico
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entregar su electrón al circuito, se transforma
en ion Li+1 y puede abandonar el ánodo. La
forma iónica Li+1 viaja por difusión a través
de una barrera sólida hasta llegar al cátodo.
El cátodo es un óxido metálico que atrapa al
átomo de litio de manera muy favorable: el
ion Li+1 entra al material y recibe el electrón
que ‘cae’ del circuito. El litio en su forma
neutra Li0 es estable cuando está atrapado
en este material. La batería puede recargarse
(Figura 5) si se aplica una fuerte diferencia de
potencial con una fuente de energía externa, así
el electrón puede extraerse del óxido metálico
y el ion Li+1 hace el viaje reverso hasta llegar
nuevamente al grato donde recibe de vuelta
su electrón.
En teoría, gracias al viaje reversible del ion
Li+1, se podría almacenar energía innitas
veces; sin embargo, en cada ciclo puede ocurrir
pequeños accidentes que van acumulando
Figura 4. Batería de ion litio en fase de descarga. El átomo de litio albergado en el grato
entrega su electrón a una plancha de cobre conectada a un circuito que alimenta un trabajo útil,
en este caso un foco de luz. El electrón viaja por el circuito hasta una plancha de aluminio en
contacto con un óxido metálico de litio y cobalto. Por su parte, el ion Li+1 abandona el grato
y atraviesa la batería hasta llegar al óxido metálico. En la matriz de LiCoO2, el ion Li+1 recibe
el electrón y es atrapado en forma estable como Li0.
Figura adaptada de Asghar et al., 2019.
imperfecciones en el material. Las baterías
de este tipo actualmente utilizadas en los
teléfonos móviles resisten cientos de ciclos
de recarga. Las baterías más avanzadas en los
autos Tesla resisten miles de ciclos de recarga.
Se piensa que, al reemplazar el grato por una
estructura de silicio, se podrá fabricar baterías
capaces de trabajar por cientos de miles de
ciclos de recarga.
Una batería de litio puede almacenar 0,2-
0,6 kWh de energía por litro. Por lo tanto, la
gasolina, con 9 kWh/l todavía es un orden
de magnitud más compacta que las mejores
baterías de hoy. Pero, con un ritmo de mejora
que aproximadamente duplica la densidad
cada diez años, las baterías ya comienzan
a ofrecer verdaderas alternativas para cada
vez más escenarios. Los grandes capitales y
especuladores ya prevén gigantescos mercados
para las baterías que están por desarrollarse.
Ánodo
(grato)
Electrolito Cátodo
(LiCoO
2
)
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Podemos avizorar grandes cambios que se
vienen en lo social, ambiental, económico y
geopolítico para cuando las baterías alimenten
la mayoría de los automóviles, fábricas y casas.
En el sur de Australia, la famosa compañía
Tesla, dirigida por Elon Musk, construyó
la batería más grande del mundo en el año
2017, con la capacidad de almacenar 100
MWh. Con ella, se ha mejorado la eciencia
de la red que ya había fallado en suplir picos
de alta demanda, causando apagones. En
un futuro cercano, se espera que este tipo de
baterías pueda incrementar la utilidad de la
energía solar, almacenando energía en el día y
proveyéndola a la red durante la noche. En el
año 2019 se aprobó ampliar la gran batería en
un 50% para un total de 150 MWh (Harmsen
et al, 2019).
Aunque las proyecciones de expansión del uso
de baterías indican cada vez mayor demanda
de litio y cobalto, la compleja cadena de
explotación y manufactura genera oscilaciones
que dejan confundido a los inversionistas. El
precio del litio y cobalto subieron con locura
solo para volver a caer el año 2019. ¿Cómo
está cambiando la geopolítica mundial? Los
yacimientos de cobalto en el Congo proveen
el 54% de la producción mundial y son
ya explotados por capitales chinos en una
estrategia por controlar el futuro mercado de
baterías de automóviles eléctricos. De hecho,
China produce el 80% de sulfato de cobalto del
mundo (Gold, 2018).
Queda por verse qué rol jugará el Perú en
estos cambios. El acoplar grandes baterías a
la red de suministro eléctrico será cada vez
más importante para aumentar la eciencia de
uso de energía y evitar la pérdida de tensión.
Por otro lado, tanto Perú como Bolivia han
dado a conocer grandes yacimientos de litio
Figura 5. Batería de ion litio en fase de recarga. El átomo de litio atrapado en forma estable en
el óxido metálico es ionizado por la acción de una fuente externa de energía, representado con
un enchufe. El ión Li+1 abandona el óxido metálico y viaja hasta llegar al grato. En la matriz
de grato, enriquecida con electrones, el ion Li+1 se reduce. Los átomos de Li0 capturados en el
grato son una forma química relativamente inestable, que queda lista para donar nuevamente
sus electrones al circuito en el próximo ciclo de trabajo y descarga.
Figura adaptada de Asghar et al., 2019.
Ánodo
(grato)
Electrolito Cátodo
(LiCoO
2
)
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recientemente. La demanda por este metal
irá incrementando hasta que la inversión por
su explotación en el Perú será una realidad.
¿Esta riqueza podrá contribuir al desarrollo de
nuestro país, o será un caso más de industria
extractiva que muy poco deja al territorio
explotado?
referencias BiBliográficas
1. Asghar, M. R., Anwar, M. T., & Naveed, A. (2019). A review
on inorganic nanoparticles modied composite membranes for
lithium-ion batteries: Recent progress and prospects.
Membranes. 2019; 9(7):78-115. URL disponible en: https://doi.
org/10.3390/membranes9070078
2. Gold R and Patterson S. There’s a global race to control
batteries - And China is winning. Wall Street Journal. February 18,
2018. URL disponible en: https://www.wsj.com/
articles/theres-a-global-race-to-control-batteriesand-china-is-
winning-1518374815
3. Harmsen N and sta. Morrison likened it to the big banana, but
South Australia’s big battery is now getting big dollars. ABC
News. URL disponible en: https://www.abc.net.au/
news/2019-11-19/sa-big-battery-set-to-get-even-
bigger/11716784
4. Ramström O. Scientic background on the Nobel Prize
in Chemistry 2019. Lithium-ion batteries. 2019, October 9.
5. Advanced information. NobelPrize.org. URL disponible
en: https://www.nobelprize.org/uploads/2019/10/advanced
-chemistryprize2019-2.pdf
AGRADECIMIENTOS:
A Vanessa Leyva Zegarra, por una revisión
crítica del documento.
CORRESPONDENCIA:
Fecha de recepción: 23-01-2020.
Fecha de aceptación: 18-02-2020.
