Antes de continuar con la lectura, cuente cuántos dispositivos con baterías hay cerca de usted en un radio de varios metros. Seguramente verá un teléfono inteligente, tableta, reloj "inteligente", rastreador de ejercicios, computadora portátil, mouse inalámbrico. Todos estos dispositivos contienen baterías de iones de litio; su invención puede considerarse uno de los desarrollos más importantes en el campo de la energía.
Las baterías de iones de litio livianas, de alta capacidad y compactas han impulsado un auge en la electrónica portátil que antes era imposible. Es solo que los dispositivos han dado un salto tecnológico fantástico en los últimos 30 años, y las baterías modernas de iones de litio no difieren mucho de los primeros modelos de producción de principios de la década de 1990. ¿Quién y cómo inventó las baterías recargables de iones de litio, qué compuestos se utilizan en ellas y existe una conspiración mundial contra las baterías "eternas"? Vamos a contar.
La leyenda de la primera batería
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Quizás pasaron dos milenios entre el primer intento de producir electricidad por medios químicos y la creación de baterías de iones de litio. Existe una suposición no confirmada de que la primera celda galvánica hecha por el hombre en la historia de la humanidad fue la "batería de Bagdad", encontrada en 1936 cerca de Bagdad por el arqueólogo Wilhelm König. Un hallazgo que data del siglo II al IV a. C. e., es un recipiente de barro en el que hay un cilindro de cobre y una varilla de hierro, el espacio entre los cuales se podría llenar con "electrolito" - ácido o álcali. La reconstrucción moderna del hallazgo ha demostrado que al llenar un recipiente con jugo de limón, se puede lograr un voltaje de hasta 0,4 voltios.
La batería de Bagdad es bastante similar a una batería portátil. ¿O una caja de papiro?
¿Para qué podría usarse la "batería de Bagdad" si quedaran un par de miles de años antes del descubrimiento de la electricidad? Quizás se usó para aplicar oro con precisión a las estatuillas mediante galvanización; la corriente y el voltaje de la "batería" son suficientes para esto. Sin embargo, esto es solo una teoría, porque no nos ha llegado ninguna evidencia del uso de la electricidad y esta misma "batería" por parte de los pueblos antiguos: en ese momento, el dorado se aplicaba por amalgama, y la vasija inusual en sí misma podría haber sido simplemente un contenedor protegido para rollos.
Teoría de la pequeña explosión
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El proverbio ruso "No habría felicidad, pero la desgracia ayudó" es la mejor manera de ilustrar el progreso del trabajo en baterías de iones de litio. Sin un incidente inesperado y desagradable, el desarrollo de nuevas baterías podría retrasarse varios años.
En la década de 1970, el británico Stanley Whittingham, que trabajaba para la compañía de combustible y energía Exxon, usó un ánodo de sulfuro de titanio y un cátodo de litio para crear una batería de litio recargable. La primera batería de litio recargable mostraba indicadores de corriente y voltaje tolerables, solo ocasionalmente explotaba y envenenaba a quienes la rodeaban con gas: el disulfuro de titanio, cuando entraba en contacto con el aire, liberaba sulfuro de hidrógeno, que era al menos desagradable de respirar y, en el mejor de los casos, peligroso. Además, el titanio era muy caro en todo momento, y en la década de 1970 el precio del disulfuro de titanio era de aproximadamente $ 1000 por kilogramo (equivalente a $ 5000 en nuestro tiempo). Sin mencionar el hecho de que el litio metálico se quema en el aire. Así que Exxon puso el proyecto de Whittingham fuera de peligro.
En 1978, Koichi Mizushima, con su doctorado en física, estaba haciendo una investigación en la Universidad de Tokio cuando recibió una invitación de Oxford para unirse al equipo de John Goodenough en la búsqueda de nuevos materiales para ánodos de baterías. Fue un proyecto muy prometedor, ya que se conocía el potencial de las fuentes de energía de litio, pero no era posible domesticar el caprichoso metal de ninguna manera: experimentos recientes de Whittingham mostraron que el inicio de la producción en masa de las codiciadas baterías de iones de litio aún estaba lejos.
Las baterías experimentales utilizaron un cátodo de litio y un ánodo de sulfuro. La superioridad de los sulfuros sobre otros materiales en los ánodos marcó la dirección de Mizushima y sus colegas. Los científicos ordenaron un horno de producción de sulfuro in situ en su laboratorio para experimentar más rápidamente con varios compuestos. El trabajo con la estufa no terminó bien: un día explotó y provocó un incendio. El incidente obligó al equipo de investigación a reconsiderar sus planes: quizás los sulfuros, a pesar de su eficacia, no fueran la mejor opción. Los científicos han centrado su atención en los óxidos, que eran mucho más seguros de sintetizar.
Después de muchas pruebas con varios metales, incluidos el hierro y el manganeso, Mizushima descubrió que el óxido de litio y cobalto funcionaba mejor. Sin embargo, debe usarse de manera diferente de la forma en que el equipo de Goodenough había asumido anteriormente: no buscar un material que absorba iones de litio, sino un material que ceda los iones de litio de la manera más voluntaria. El cobalto también era más adecuado que otros porque cumple con todos los requisitos de seguridad y también aumenta el voltaje de la celda a 4 voltios, es decir, el doble en comparación con versiones anteriores de baterías.
El uso de cobalto fue el más importante, pero no el último paso en el desarrollo de baterías de iones de litio. Habiendo hecho frente a un problema, los científicos se enfrentaron a otro: la densidad de corriente era demasiado baja para justificar económicamente el uso de células de iones de litio. Y el equipo, que logró un gran avance, logró el segundo: cuando el grosor de los electrodos se redujo a 100 micrones, fue posible aumentar la intensidad de la corriente al nivel de otros tipos de baterías, mientras se duplicaba el voltaje y la capacidad.
Primeros pasos comerciales
La historia de la invención de las baterías de iones de litio no termina ahí. A pesar del descubrimiento de Mizushima, el equipo de Goodenough aún no tenía una muestra lista para la producción en masa. Debido al uso de litio metálico en el cátodo, durante la carga de la batería, los iones de litio regresaban al ánodo no en una capa uniforme, sino en dendritas, cadenas de alivio que, al crecer, provocaron un cortocircuito y fuegos artificiales.
En 1980, el científico marroquí Rachid Yazami descubrió que el grafito hace un excelente trabajo como cátodo, al mismo tiempo que es absolutamente incombustible. Pero los electrolitos orgánicos que existían en ese momento se descompusieron rápidamente al entrar en contacto con el grafito, por lo que Yazami los reemplazó con un electrolito sólido. El cátodo de grafito de Yazami se inspiró en el descubrimiento de la conductividad de los polímeros por el profesor Hideki Shirakawa, por el que recibió el Premio Nobel de Química. Y el cátodo de grafito Yazami todavía se usa en la mayoría de las baterías de iones de litio.
¿Nos estamos lanzando a producción? ¡Y de nuevo no! Pasaron otros 11 años, los investigadores mejoraron la seguridad de la batería, aumentaron el voltaje y experimentaron con diferentes materiales de cátodo antes de que saliera a la venta la primera batería de iones de litio.
El diseño comercial fue desarrollado por Sony y el gigante químico japonés Asahi Kasei. Era la batería de la videocámara de cine amateur Sony CCD-TR1. Resistió 1000 ciclos de carga y la capacidad residual después de dicho desgaste fue cuatro veces mayor que la de una batería de níquel-cadmio del mismo tipo.
Escollo de cobalto
Antes del descubrimiento de Koichi Mizushima del óxido de litio y cobalto, el cobalto no era un metal muy buscado. Sus principales depósitos se encontraron en África en el estado ahora conocido como República Democrática del Congo. El Congo es el mayor proveedor de cobalto: el 54% de este metal se extrae aquí. Debido a la agitación política en el país en la década de 1970, el precio del cobalto se disparó en un 2000%, pero luego volvió a sus valores anteriores.
La alta demanda crea precios altos. Ni en la década de 1990 ni en la de 2000 era el cobalto uno de los principales metales del planeta. ¡Pero qué comenzó con la popularización de los teléfonos inteligentes en la década de 2010! En 2000, la demanda de metal fue de aproximadamente 2.700 toneladas por año. En 2010, cuando los iPhones y los teléfonos inteligentes Android triunfaban en todo el planeta, la demanda se disparó a 25.000 toneladas y siguió creciendo año tras año. Ahora el número de pedidos supera en 5 veces el volumen de cobalto vendido. Como referencia: más de la mitad del cobalto extraído en el mundo se destina a la producción de baterías.
Gráfico de precios del cobalto de los últimos 4 años. Los comentarios son superfluos. Fuente: Elec.ru
Si en 2017 el precio por tonelada de cobalto promedió $ 24,000, entonces desde 2017 ha subido abruptamente, alcanzando un máximo de $ 95,500 en 2018. Aunque los teléfonos inteligentes usan solo de 5 a 10 gramos de cobalto, el aumento de los precios de los metales ha afectado el costo de los dispositivos.
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Y esta es una de las razones por las que los fabricantes de coches eléctricos están preocupados por reducir la proporción de cobalto en las baterías de los coches. Por ejemplo, Tesla ha reducido la masa del escaso metal de 11 a 4,5 kg por coche, y en el futuro planea encontrar formulaciones eficaces sin cobalto en absoluto. El precio del cobalto, que había subido anormalmente alto en 2019, cayó a los valores de 2015, pero los desarrolladores de baterías han intensificado el trabajo para eliminar o reducir la proporción de cobalto.
En las baterías tradicionales de iones de litio, el cobalto constituye aproximadamente el 60% de la masa total. La formulación de litio-níquel-manganeso utilizada en automóviles contiene entre un 10% y un 30% de cobalto, dependiendo de las características deseadas de la batería. Composición de litio-níquel-aluminio: solo el 9%. Sin embargo, estas mezclas no son un reemplazo completo del óxido de litio-cobalto.
Problemas de iones de litio
Varios tipos de baterías de iones de litio son las mejores baterías para la mayoría de los consumidores de hoy. Capaces, potentes, compactas y económicas, todavía tienen serios inconvenientes que limitan su uso.
Peligro de incendio
Para un funcionamiento normal, una batería de iones de litio requiere un controlador de potencia para evitar la sobrecarga y el sobrecalentamiento. De lo contrario, la batería se convierte en algo muy peligroso para el fuego que tiende a hincharse y explotar con el calor o cuando se carga con un adaptador de mala calidad. El peligro de explosión es quizás el principal inconveniente de las baterías de iones de litio. Para aumentar la capacidad, la disposición está sellada dentro de las baterías, por lo que incluso un daño leve en la carcasa conduce instantáneamente a un incendio. Todos recuerdan la sensacional historia del Samsung Galaxy Note 7, en la que, debido a la estanqueidad dentro de la carcasa, la carcasa de la batería se deshilachó con el tiempo, el oxígeno penetró en el interior y el teléfono inteligente brilló de repente. Desde entonces, algunas aerolíneas solo le han exigido que lleve baterías de iones de litio en el equipaje de mano.y en vuelos de carga, los paquetes de baterías tienen una etiqueta de advertencia grande.
Envejecimiento
Las baterías de iones de litio son susceptibles al envejecimiento incluso si no se utilizan. Por lo tanto, un teléfono inteligente desembalado de 10 años comprado como artículo de colección, por ejemplo, el primer iPhone, tendrá mucha menos carga debido al envejecimiento de la batería. Por cierto, las recomendaciones para mantener las baterías cargadas hasta la mitad de su capacidad están justificadas: con una carga completa durante el almacenamiento a largo plazo, la batería pierde su capacidad máxima mucho más rápido.
Autodescarga
Almacenar energía en baterías de iones de litio y almacenarla durante años es una mala idea. En principio, todas las baterías pierden carga, pero las baterías de iones de litio lo hacen con especial rapidez. Mientras que las células de NiMH pierden entre un 0,08 y un 0,33% por mes, las células de iones de litio pierden entre un 2 y un 3% por mes. Así, en un año, una batería de iones de litio perderá un tercio de su carga, y después de tres años "bajará" a cero. Para ser justos, digamos que las baterías de níquel-cadmio son todavía peores: 10% por mes. Pero esa es una historia completamente diferente.
Sensibilidad a la temperatura
El enfriamiento y el sobrecalentamiento afectan en gran medida los parámetros de dicha batería: los grados +20 ° C se consideran la temperatura ambiente ideal para las baterías de iones de litio, si se reduce a +5 ° C, la batería le dará al dispositivo un 10% menos de energía. El enfriamiento por debajo de cero toma decenas de por ciento de la capacidad y también afecta la salud de la batería: si intenta cargarla, por ejemplo, desde un banco de energía, aparecerá un "efecto memoria" y la batería perderá capacidad irrevocablemente debido a la formación de litio metálico en el ánodo. A las temperaturas promedio del invierno ruso, la celda de iones de litio no funciona; deje el teléfono afuera durante media hora en enero para estar seguro.
Para hacer frente a los problemas descritos, los científicos están experimentando con materiales para ánodos y cátodos. Al reemplazar la composición de los electrodos, un gran problema se reemplaza por problemas más pequeños: la seguridad contra incendios implica una disminución en el ciclo de vida y una alta corriente de descarga reduce la intensidad de energía específica. Por lo tanto, la composición de los electrodos se selecciona en función del campo de aplicación de la batería.
¿Quién se robó la revolución?
Cada año, las fuentes de noticias informan sobre otro avance en la creación de baterías extremadamente potentes y duraderas: parece que los teléfonos inteligentes funcionarán durante un año sin recargarse y se cargarán en diez segundos. ¿Y dónde está la revolución de la batería que los científicos prometen a todo el mundo?
A menudo, en tales informes, los periodistas distorsionan los hechos, dejando de lado algunos detalles muy importantes. Por ejemplo, una batería recargable instantánea puede tener una capacidad muy baja, adecuada solo para encender una alarma de cabecera. O el voltaje ni siquiera llega a un voltio, aunque para los teléfonos inteligentes necesitas 3.6 V. Y para comenzar la vida, la batería debe tener un bajo costo y una alta seguridad contra incendios. Desafortunadamente, la inmensa mayoría de los desarrollos fueron inferiores en al menos un parámetro, razón por la cual las baterías "revolucionarias" nunca salieron de los laboratorios.
A fines de la década de 2000, Toshiba experimentó con celdas de combustible de metanol recargables (reabasteciendo la batería con metanol en la foto), pero las baterías de iones de litio aún eran más convenientes.
Y, por supuesto, dejemos a un lado la teoría de la conspiración "los acumuladores sin fin no son rentables para los fabricantes". Hoy en día, las baterías de los dispositivos de consumo son insustituibles (o mejor dicho, se pueden cambiar, pero es difícil). Hace 10-15 años, reemplazar una batería dañada en un teléfono móvil era fácil, pero luego las fuentes de alimentación perdieron realmente su capacidad durante uno o dos años de uso activo. Las baterías modernas de iones de litio duran más que el ciclo de vida promedio del dispositivo. En los teléfonos inteligentes, puede pensar en reemplazar la batería no antes de 500 ciclos de carga, cuando pierde un 10-15% de su capacidad. Y más bien, el propio teléfono perderá su relevancia antes de que la batería finalmente falle. Es decir, los fabricantes de baterías ganan dinero no reemplazándolas, sino vendiendo baterías para dispositivos nuevos. Por lo tanto, una batería "eterna" en un teléfono de diez años no dañará su negocio.
El equipo Goodenough vuelve a la acción
¿Qué pasó con los científicos del grupo de John Goodenough, que descubrieron el óxido de litio-cobalto y, por lo tanto, dieron vida a las eficientes baterías de iones de litio?
En 2017, Goodenough, de 94 años, dijo que trabajó con científicos de la Universidad de Texas para desarrollar un nuevo tipo de batería de estado sólido que puede almacenar de 5 a 10 veces más energía que las baterías de iones de litio anteriores. Para ello, los electrodos estaban hechos de litio y sodio puros. También se promete un precio bajo. Pero todavía no hay detalles ni pronósticos sobre el inicio de la producción en masa. Dado el largo viaje entre el descubrimiento del grupo Goodenough y el inicio de la producción en masa de baterías de iones de litio, se pueden esperar muestras reales en 8-10 años.
Koichi Mizushima continúa su trabajo de investigación en Toshiba Research Consulting Corporation. “Mirando hacia atrás, me sorprende que nadie antes que nosotros haya adivinado usar un material tan simple como el óxido de litio y cobalto en el ánodo. Para ese momento, se habían probado muchos otros óxidos, por lo que, probablemente, si no fuera por nosotros, en unos meses alguien más habría hecho este descubrimiento”, dijo.
Koichi Mizushima con un premio de la Royal Society of Chemistry de Gran Bretaña por su contribución al desarrollo de baterías de iones de litio.
La historia no tolera los estados de ánimo subjuntivos, especialmente desde que el propio Sr. Mizushima admite que era inevitable un gran avance en la creación de baterías de iones de litio. Pero sigue siendo interesante imaginar cómo sería el mundo de la electrónica móvil sin baterías compactas y de gran capacidad: computadoras portátiles con un grosor de varios centímetros, teléfonos inteligentes enormes que requieren cargarse dos veces al día y sin relojes inteligentes, pulseras de fitness, cámaras de acción, cuadricópteros, etc. incluso vehículos eléctricos. Cada día, científicos de todo el mundo están acercando una nueva revolución energética, que nos dará baterías más potentes y compactas, y con ellas una electrónica increíble, con la que solo podemos soñar hasta ahora.
