El Premio Nobel de Química honró algo que realmente te importa: la batería de tu teléfono

El Premio Nobel de Química honró algo que realmente te importa: la batería de tu teléfono



Los ganadores del Premio Nobel de química de 2019, de izquierda a derecha: John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham y Akira Yoshino

Los ganadores del Premio Nobel de química de 2019, de izquierda a derecha: John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham y Akira Yoshino (Niklas Elmehed © Nobel Media /)

Usted debe la mayor parte, si no toda, su vida digital a las baterías de iones de litio. Alimentan su teléfono inteligente, su computadora portátil, prácticamente todo lo que se recarga, excepto la batería de su automóvil, que funciona con litio. Y tienes que agradecer a tres premios Nobel recién acuñados por eso. John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham y Akira Yoshino compartieron el Premio Nobel de Química hoy por sus contribuciones a la invención de la batería de iones de litio. Cada hombre construyó sobre el trabajo que el anterior había hecho, mejorando progresivamente la tecnología.

"Lo consideramos como teléfonos celulares o vehículos eléctricos híbridos, pero también tiene un efecto para las personas que no tienen acceso a la electricidad", dice Bonnie Charpentier, Presidenta de la American Chemical Society. "Acabo de regresar de un viaje a Botswana donde estaba en la selva sin las comodidades modernas, pero nuestro guía tenía un teléfono celular y un panel solar".

Pero a pesar de lo ubicuas que son las baterías de iones de litio, pocos de nosotros tenemos una idea real de por qué funcionan tan bien. Nerd con nosotros por unos minutos aquí:

Las baterías son bastante simple en su esencia. Tienen dos extremos de carga, llamados electrodos, que están separados para que no puedan tocarse directamente. Los electrones se mueven del lado cargado negativamente al lado positivo: ese movimiento es lo que produce energía. Puedes hacer una batería de muchas cosas (incluyendo, como probablemente aprendiste en la escuela, una papa), pero para hacer una verdadera eficaz uno necesita ciertas especificaciones. Le gustaría tener muchos electrones para ceder, por ejemplo, e idealmente también será liviano: tener 12 horas de duración de la batería en un teléfono no vale mucho si ese teléfono pesa cinco libras. Litio absolutamente ama renunciando a sus electrones, y como uno de los metales más ligeros, puede empacarlo en un recipiente pequeño para que sea muy denso en energía. Además, puedes recargarlo.

M. Stanley Whittingham, de la Universidad de Binghampton en Nueva York, descubrió una manera de hacer una batería con litio en el extremo cargado positivamente y sulfuro de titanio en el otro, pero hubo un problema con su creación. Cuando recargó la batería, el metal de litio no se depositó en una hoja uniforme a través del electrodo. En cambio, se acumuló en pequeños picos llamados dendritas, y cuando esas dendritas crecieron lo suficiente como para perforar el material de separación y alcanzar el electrodo en el lado opuesto, la batería se cortocircuitó y podría incendiarse.

Resultó que la solución sería no usar litio metálico, sino usar iones de litio intercalados entre capas de otros metales. Esencialmente, los iones pueden unirse a puntos dentro de la estructura cristalina de algunos metales, escondiéndolos en una configuración ordenada. Los iones de litio se mueven desde el electrodo positivo al negativo para descargar la energía, luego regresan nuevamente para recargar su potencial.

Pero resulta que algunos materiales almacenan iones de litio mejor que otros. Fue John B. Goodenough de la Universidad de Texas en Austin quien descubrió un material nuevo y mucho mejor: el óxido de cobalto. Su batería tenía dos veces el voltaje de Whittingham.

Ese avance hizo que el electrodo positivo fuera mucho más eficiente, pero aún había mejoras por hacer en el extremo negativo. Akira Yoshino de la Universidad Meijo en Japón llevó la batería a través de este paso final. Descubrió que el coque de petróleo, un subproducto que contiene carbono de la industria petrolera, funcionaba fenomenalmente bien como un electrodo negativo, y la batería resultante era mucho más segura que las iteraciones anteriores. El litio es un elemento increíblemente reactivo, por lo que las primeras baterías fabricadas con él podrían incendiarse o explotar bajo tensión. Yoshino podría ser golpeado por un trozo de hierro gigante sin que ocurriera nada terrible, lo que lo hacía apropiado para su uso en bienes de consumo. (¿Te imaginas si tu teléfono corre el riesgo de explotar cada vez que lo dejas caer?)

En 1991, las primeras baterías de iones de litio se pusieron en venta en Japón, y desde entonces han permanecido prácticamente sin cambios. La mayoría de los electrodos positivos ahora son fosfato de hierro en lugar de óxido de cobalto, para ayudarlos a ser más amigables con el medio ambiente, pero los electrodos negativos todavía están basados ​​en carbono. Los investigadores de todo el mundo están buscando constantemente nuevos y mejores materiales para fabricar baterías aún más densas en energía, pero hasta ahora el litio es el claro líder.

Es raro, y encantador, ver una historia de éxito que surge de una línea tan clara de mejoras sucesivas por parte de investigadores que se basan en el trabajo de los demás. El Premio Nobel a menudo es criticado por perpetuar el mito de los genios solitarios que hacen avances científicos, cuando la realidad es que la investigación más importante es el resultado de muchos años de prueba y error, y muchos cocineros en la cocina. El premio aún está lejos de ser representativo de los campos que dice reconocer, especialmente cuando se trata de recompensar el trabajo de personas de color y mujeres. Pero al menos este año, el comité destaca de alguna manera el hecho de que la ciencia es iterativa. "Muestra el poder de la colaboración entre generaciones, y en la industria y la academia", dice Charpentier. "El diablo siempre está en los detalles, y el trabajo, la paciencia y la comprensión de estos tres ganadores de premios es notable".

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