lunes 24 de junio de 2024

Docentes del Balseiro explican el Premio Nobel en Química 2019

Cómo funciona una batería de ión-litio y cuáles son los grandes desafíos de este tipo de baterías a futuro, son algunas de las preguntas que responden los profesionales.

sábado 12 de octubre de 2019
Foto: gentileza E. Winkler y R. Sánchez.

El invento: la batería de ión-litio que se usa en los teléfonos celulares y muchos otros dispositivos electrónicos. Los galardonados con el Premio Nobel en Química 2019: los científicos M. Stanley Whittingham, John Goodenough y Akira Yoshino. Uno de ellos, Goodenough, visitó el Balseiro y en esta nota docentes de este instituto cuentan detalles de esa visita y del invento que generó una “revolución portátil”.

“Necesito cargar la batería del celular”, es una de las frases más comunes de estos tiempos. Hace 30 años atrás, era algo impensable. Fue recién en 1991 cuando comenzó a venderse en el mercado la hoy híper usada batería de ión-litio. Por el desarrollo de este genial invento, que llevó dos décadas de desarrollo y la suma de ideas al estilo de una carrera de postas, los científicos John Goodenough, M. Stanley Whittingham y Akira Yoshino recibieron el Premio Nobel en Química este miércoles 9 de octubre por la mañana.

Foto: Niklas Elmehed / cuenta oficial de Twitter de Nobel Prize.

Tres docentes del Instituto Balseiro que trabajan en campos vinculados con la físico-química de materiales cuentan en esta nota algunos aspectos sobre el tema. ¿Qué recuerdan del Prof. Goodenough, que visitó el Balseiro y que fue director de posdoctorado de una de las profesoras del Balseiro que participan en esta nota? ¿Cómo funciona una batería de ión-litio? ¿Cuáles son los grandes desafíos de este tipo de baterías a futuro?

La batería de ión-litio hoy es casi ubicua: No sólo se utiliza en celulares sino que también alimenta con electricidad las computadoras portátiles, las tablets, las cámaras de fotos y hasta los autos eléctricos. Incluso, como destaca la Real Academia de Ciencias sueca, se utiliza para almacenar energía de fuentes renovables como la energía solar y la eólica. Fue comercializada por primera vez en 1991 en Japón, y es tres veces mejor que la batería de ácido-plomo, que es la que se usa en los autos tradicionales, si se las compara en proporción entre potencia y peso y energía y tamaño, indica Marshall Brain en “El libro de la Ingeniería” (Ed. Librero).

Sobre Goodenough y colegas

“Whittingham, Goodenough y Yoshino son científicos que marcaron hitos en el desarrollo de baterías de litio. Stanley Whittingham fue uno de los pioneros en el tema. En la década de 1970 logró una celda de batería de litio utilizando disulfuro de titanio y litio metálico como materiales del cátodo y ánodo”, cuenta el Doctor en Ciencias de la Ingeniería Diego Cuscueta, docente del Instituto Balseiro e investigador del CONICET en el departamento de Materiales Metálicos y Nano-estructurados del Centro Atómico Bariloche. El problema, no obstante, consistía en que esa celda era altamente explosiva.

Cuscueta, que trabaja en un grupo que investiga las características de las baterías de ión-litio, agrega que John Goodenough demostró en la década de 1980 cuáles eran las ventajas de utilizar óxidos metálicos, particularmente el óxido de litio cobalto (LiCoO2), como material activo para el cátodo. En 1985, Akira Yoshino, tras reemplazar el altamente reactivo litio metálico del ánodo por un material tan simple como carbón, logró crear la primera batería comercialmente viable, destaca Cuscueta.

La Dra. en Física Elin Winkler, que realizó un posdoctorado bajo la dirección de John Goodenough en la Universidad de Texas, en los Estados Unidos, y que también es docente en el Balseiro en la materia “Física Experimental III”, detalla que el gran aporte de Goodenough, que le valió la mitad del Premio Nobel de Química 2019, fue utilizar un material diferente como cátodo: el óxido de litio cobalto. Esto posibilitó luego fabricaciones de baterías estables, con alta densidad de energía, recargables y fáciles de manejar. Winkler es investigadora del CONICET y de la CNEA en el Laboratorio de Resonancias Magnéticas del Centro Atómico Bariloche, y además coordina el comité académico de la Maestría en Ciencias Físicas del Balseiro.

“Esta propuesta no fue al azar, el Prof. Goodenough siempre tuvo y tiene un profundo conocimiento de la físico-química de los materiales, lo cual le permite diseñar y predecir la respuesta de un determinado compuesto”, agrega Winkler (ver recuadro “Recuerdos de Texas”). Y cuenta que el mismo científico, curioso e inquieto que hoy tiene 97 años de edad, siguió trabajando en el estudio de compuestos que optimizan aún más la respuesta de las baterías, como por ejemplo en los ‘90 propuso utilizar el compuesto litio ferrofosfato (LiFePO4) como cátodo. En 2016, propuso un nuevo tipo de baterías de estado sólido conocidas como “baterías de vidrio”.

“Las contribuciones del Prof. Goodenough no se limitaron a la electroquímica. Su gran conocimiento de química de materiales y físico-química del sólido lo llevó realizar numerosas y muy significativas contribuciones en diversas áreas como por ejemplo en magnetismo, superconductividad, magnetorresistencia colosal y nuevos materiales”, agrega Winkler. El científico también estableció las famosas reglas de Goodenough-Kanamori, las cuales predicen el orden magnético de diferentes compuestos. “Sus libros son pilares para los investigadores que nos dedicamos a la fisicoquímica de los óxidos. Por todo esto sentíamos que este reconocimiento era una deuda pendiente”, destaca.

Rodolfo Sánchez, que es profesor en el Balseiro en las materias “Física experimental II” en carreras de grado y “Fenomenología de la Materia Condensada” en carreras de posgrado, y que es investigador del CONICET en el mismo grupo que Winkler, cuenta que conoció a Goodenough en España al realizar su posdoctorado, en 1997. “Fue una sorpresa grata que uno de los galardonados este año sea el Prof. John B. Goodenough. Sus contribuciones están presentes en mi tesis doctoral, en mis trabajos y en la docencia de cursos de posgrado y especiales que doy”, cuenta Sánchez. En 1998, Goodenough visitó el Instituto Balseiro a partir de una invitación realizada por Sánchez, en el marco de un workshop organizado por el Prof. Blas Alascio.

“En ese momento la discusión pasaba por los materiales magnetorresistentes y era una de las líneas en las cuales trabajábamos. Quedó muy impresionado con los laboratorios, era su primera visita a Bariloche. Envidiaba la libertad que teníamos para investigar y decía que eso es muy importante para el avance científico y del conocimiento. Fue una visita muy agradable y un workshop muy estimulante con todos los colegas y estudiantes que participaron”, cuenta Sánchez sobre la visita de Goodenough al Instituto Balseiro, en la que ofició de anfitrión (ver recuadro “Entre papers y carcajadas).

¿Pero qué es una batería de ión-litio?

Ahora bien, ¿qué es y cómo funciona el invento que permitió “descablear” en parte a la sociedad? El Doctor en Ciencias de la Ingeniería Diego Cuscueta explica que una celda o batería es un dispositivo que convierte la energía química en energía eléctrica útil para el usuario. Al igual que otras baterías, las de ión-litio están compuestas por un cátodo, un ánodo y un medio iónico conductor o electrolito donde pueden migrar los iones. Se llama “ión” porque los átomos de este elemento, el metal más liviano de la tabla periódica, obtienen carga eléctrica al perder un electrón.

“Cuando obtenemos energía para que funcionen nuestros dispositivos electrónicos, internamente en los electrodos (ánodo y cátodo) se producen reacciones químicas (de oxidación y de reducción) con transferencia de electrones que formarán la corriente eléctrica que alimentará el funcionamiento del dispositivo”, describe Cuscueta. Así, la descarga de una típica celda consiste en iones de litio intercalados en las placas grafíticas de carbono del ánodo que se mueven a través del electrolito y se intercalan en el óxido de cobalto. “Luego, para revertir dicha reacción, aplicamos una corriente eléctrica en el sentido contrario y cargamos la batería”, agrega el Ing. Electrónico.

Cuscueta también remarca que, para llegar al mercado, el desarrollo de esta ahora ubicua batería tuvo que sortear varios desafíos. “Desde que un prototipo de laboratorio se considera comercialmente viable hasta que lo podemos encontrar en los dispositivos diarios deben superase varios desafíos tecnológicos y comerciales. En el caso de este tipo de batería, necesitaron consensuar cuestiones de diseño, tamaños, ya sea que se adapten a los dispositivos actuales o rediseñándolos”, cuenta Cuscueta, que es jefe de trabajos prácticos en la materia “Física Experimental III” de la Licenciatura en Física del Balseiro.

“También debieron considerarse en los circuitos eléctricos y electrónicos las diferencias de potencial con respecto a las tecnologías previas. No podemos olvidarnos de las reglamentaciones de seguridad, ya que si bien actualmente las celdas de litio son seguras, hay consideraciones de temperatura y estanqueidad, control de carga y descarga que no deben descuidarse”, remarca Cuscueta, que es investigador del CONICET.

Ante la consulta de si el desarrollo de la batería de ión-litio fue muy complejo, su colega Rodolfo Sánchez reflexiona que cualquier desarrollo es difícil desde su inicio en la ciencia básica hasta alcanzar un producto que llegue a ser usado masivamente. Además, Sánchez opina que si la ciencia estuviera más presente en la vida diaria, en la escuela, en la formación como personas sociales, “se valorarían mucho más los logros de la humanidad y se tendría otra visión del mundo y hacia dónde y cómo se debe ir”, expresa.

“Creo que como sociedad de conjunto, no valoramos los desarrollos y el costo en horas de trabajo humano y monetario que implica. Para descubrir un nuevo material, se calcula que un laboratorio invierte unos 10 años de trabajo y puede llevar 20 más tener su aplicación tecnológica con una producción masiva”, detalla el profesor.

En Argentina y el mundo: futuros desafíos

En Argentina, desde hace varios años se está trabajando en cátodos y ánodos de baterías de ión-litio. Hay una decena de grupos importantes en Buenos Aires, La Plata, Córdoba, Catamarca, Jujuy, Bariloche, entre otras ciudades. “En el departamento de Materiales Metálicos y Nano-estructurados del Centro Atómico Bariloche, estamos trabajando principalmente en materiales para cátodos. Recientemente presentamos una solicitud de patente y hay dos tesistas pronto a recibir su doctorado en el tema. También estamos explorando nuevas tecnologías, como las baterías de litio azufre, que superan ampliamente a las de ión-litio pero todavía no son viables comercialmente. Todavía quedan obstáculos que superar”, cuenta Cuscueta.

Asimismo, el joven docente cuenta que en Argentina hay mucho capital humano en ciencia aportando a la investigación básica y aplicada. “En los últimos años el sistema científico comenzó a motivar el eslabón tecnológico, justamente el rol que Yoshino tuvo con las baterías de ión-litio. Me parece muy importante que se continúe estimulando la investigación aplicada y tecnológica, las colaboraciones con industrias, el surgimiento de emprendedores y micropymes”, agrega Cuscueta.

nobel Q3rodo ok¿Cuáles son los grandes desafíos en el campo la ingeniería química o química en la actualidad para este tipo de batería? “Supongo que hay muchos desafíos planteados, como por ejemplo prolongar su vida útil o aumentar la capacidad de almacenaje de carga. Nosotros, en particular, durante años tratamos de buscar innovaciones al cátodo”, destaca Rodolfo Sánchez, que es investigador del CONICET en el grupo de Resonancias Magnéticas y en el Instituto de Nanociencia y Nanotecnología en el Centro Atómico Bariloche.

“Aún seguimos publicando hoy en 2019 sobre el tema, con Martín Saleta, quien fue mi alumno de doctorado y hoy investigador y colaborador en el grupo. Trabajamos con nanotubos de óxido de vanadio para ser utilizado como cátodo en baterías de ión-litio. Estos nanotubos están formados por planos de óxido de vanadio enrollados en forma de tubos como capas de cebollas”, explica Rodolfo Sánchez. “Los nanotubos presentan la ventaja de tener mucha superficie y esto permite que las reacciones químicas que ocurren en el cátodo sean más eficientes o muchos puntos de contacto”, detalla Sánchez.

“Uno de los problemas es que en este proceso el estado de oxidación de algunos vanadios termina siendo como un veneno para la pila y deprime su actividad. Aportamos mucho a describir estos tubos y determinar como era su proceso de envejecimiento y de esa forma explicamos porqué había mucha dispersión de resultados en la literatura científica”, cuenta el docente del Balseiro, que se graduó de Químico, se doctoró en Física y realizó el posdoctorado de físico-química de nanomateriales.

Ahora bien, el campo de las ciencias de materiales e incluso en el de la ciencia de baterías existe un trabajo interdisciplinario. Allí trabajan, aportando desde sus diversas miradas, profesionales de distintas ciencias, como la química, la física y la ingeniería. ¿Cuál será el futuro del almacenamiento de energía? ¿Se podrán usar baterías de ión-litio o de nuevos compuestos para brindar cada vez más electricidad? Los galardonados con el Premio Nobel en Química 2019 crearon un “mundo recargable” con múltiples desafíos. La tarea de “recargar” ideas es uno de los principales.

RECUERDOS DE TEXAS

Por Elin Winkler*

Realicé una estadía postdoctoral en el laboratorio del Profesor John Goodenough, en la Universidad de Texas en Austin durante los años 2001-2002. En aquella época habíamos celebrado sus 80 años. Mi trabajo estaba relacionado con físico-química básica, estudiábamos materiales que presentaban mucha correlación entre las propiedades estructurales, eléctricas y magnéticas. Estas fuertes correlaciones conducen a propiedades muy ricas como magnetoresistencia colosal, superconductividad, transición metal aislante. Fue sumamente enriquecedor porque no sólo aprendí el arte de fabricar diferentes monocristales sino también a interpretar y, en base a los resultados, modelar la estructura interna de estos compuestos.

Por ejemplo, en aquella época habíamos reportado un diagrama de fases completo de un material que presenta magnetorresistencia. Goodenough propuso un modelo nuevo para la compleja evolución del orden magnético interno. Casi en forma simultánea este modelo fue confirmado por otros autores a partir de experimentos de neutrones. De esos años recuerdo también que Goodenough siempre estaba disponible para charlar y recibir a sus alumnos, su gran disposición para enseñar y compartir su conocimiento, su enorme generosidad con la sociedad y su enorme amor por el trabajo que continúa hasta el presente. Una gran persona.

*Doctora en Física, profesora del Instituto Balseiro e Investigadora Independiente de CONICET y CNEA. Realizó un posdoctorado en el grupo de John Goodenough, Premio Nobel en Química 2019, en la Universidad de Texas.

ENTRE PAPERS Y CARCAJADAS

Por Rodolfo Sánchez*

Fue una experiencia muy motivante haberlo conocido en persona a Goodenough. Para mí, era uno de esos intocables que estaban en los libros o papers que estudiábamos. Cuando estaba haciendo mi tesis doctoral, le escribí para decirle que estaba buscando uno de sus artículos que era muy citado, pero en una revista poco difundida. Tuvo la amabilidad y la cortesía de contestarme que lamentablemente ya no tenía copias de ese trabajo (no existía la digitalización que hay hoy accesible por internet) y sugiriendo que trabajos alternativos podía estudiar o citar. Fue muy divertido escuchar sus anécdotas de vida como su experiencia en la II Guerra Mundial en telecomunicaciones.

Como muchos que experimentaron la II Guerra Mundial y que conocí, incluso de diferentes nacionalidades, son una generación muy poco consumista y que valora mucho el esfuerzo de lo que se consigue y las cosas se usan hasta que no dan más. Goodenough es de esa generación, muy austero en su vida. Wolfang Meckbach, nuestro físico alemán que participó en la guerra, luego radicado en Bariloche y pionero en los laboratorios experimentales era muy parecido en este sentido. Tal vez deberíamos rescatar esta racionalidad del consumo, hoy el mundo y su supervivencia está en la cuerda floja con el grado de extractivismo y explotación irracional de recursos que existe. Por último me quedo con la carcajada exagerada de John, contagiosa que en cada reunión entre científicos sobresale sobre murmullo de fondo mientras se charla y toma café.

*Doctor en Física, Investigador Principal del CONICET y Profesor del Instituto Balseiro. Realizó un posdoctorado España donde conoció a John Goodenough, Premio Nobel en Química 2019, y fue anfitrión de su visita a Bariloche.

 

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