Una mirada al pasado del litio

Desde que los científicos mostraron al mundo la primera batería recargable de iones de litio en 1976, la tecnología ha demostrado su potencial de cambio mundial en la industria electrónica. Pero incluso cuando las aplicaciones en los vehículos eléctricos y el almacenamiento estacionario registran un crecimiento masivo, la tecnología tiene problemas que superar y los científicos de todo el mundo trabajan arduamente para integrar nuevos materiales y sacar más rendimiento a las baterías que todavía se basan en los conceptos ilustrados por los científicos hace casi medio siglo.

Y mirar hacia atrás estos desarrollos puede ser valioso para ver la dirección que tomen las futuras investigaciones. Arumugam Manthiram ha sido profesor de la Universidad de Texas en Austin durante 20 años, y también ha trabajado en la tecnología de iones de litio junto con el científico ganador del Premio Nobel John Goodenough. En un artículo de revisión publicado en Nature Communications, Manthiram profundiza en la historia de la tecnología de iones de litio y examina las cuestiones que influyen en las investigaciones actuales sobre nuevos conceptos de baterías.

“El costo y la sostenibilidad se están volviendo críticos a medida que avanzamos en el despliegue a gran escala de las baterías de iones de litio”, dice Manthiram. “Además, existe un apetito por aumentar la densidad de energía más allá del nivel actual para mantenerse al día con los avances en los dispositivos electrónicos portátiles y mejorar la autonomía de conducción de los vehículos eléctricos”.

Los tres grandes

El documento describe tres grandes descubrimientos que dieron lugar a las baterías de iones de litio que vemos en el mercado hoy en día.

La primera demostración de una batería recargable con ánodo de metal de litio y cátodo de sulfuro de titanio, realizada por M. Stanley Whittingham en Exxon en la década de 1970, proporcionó una prueba de concepto para los recientes avances en la comprensión de la química de intercalación. Esta batería se vio obstaculizada por el bajo voltaje y la densidad de energía, así como por el crecimiento de dendritas en el ánodo de metal de litio, un problema que los científicos de hoy en día todavía intentan resolver.

Después, Manthiram se centra en el trabajo del grupo de John Goodenough en la década de 1980, que fue galardonado con el Premio Nobel de Química de 2019. Esto concierne al diseño de cátodos de óxido, que permitieron aumentar el voltaje de la batería. El grupo de Goodenough también dividió los cátodos de óxido en tres clases (estratificado, espinela y polianión), que siguen siendo los únicos tipos de cátodos prácticos hasta el día de hoy, y sirven como base para futuros desarrollos.

Por último, la labor ulterior del grupo de Goodenough en el decenio de 1980, dirigida por el investigador visitante Koichi Mizushima, proporcionó la primera demostración de una batería de litio con un ánodo de carbono y un cátodo de óxido de cobalto y litio. Representó la primera vez que la tecnología superó los problemas de seguridad y densidad de energía, y se presentó un desarrollo listo para su comercialización.

Hacia el futuro

Pero como la sociedad exige cada vez más a las baterías, estas preocupaciones han permanecido en el centro de las investigaciones en curso sobre la tecnología de iones de litio.

“Necesitamos aumentar la densidad de energía a través de un incremento en la capacidad de almacenamiento de carga del cátodo y del ánodo, un incremento en el voltaje de operación del cátodo, o idealmente un incremento tanto en la capacidad de almacenamiento de carga como en el voltaje de operación”, dijo Manthiram a pv magazine. “Se necesita el desarrollo de nuevos o mejores materiales de electrodos y electrolitos para lograr estos objetivos. Nuevas síntesis y nuevos enfoques de procesamiento junto con el modelado computacional podrían ayudar a cumplir estos objetivos.”

Manthiram señala que espera que, a corto plazo, la investigación se centre en los cátodos de óxido en capas con más níquel y menos o nada de cobalto, y también en la adición de silicio a los ánodos de grafito como métodos para aumentar la densidad de energía.

Más adelante en el futuro, hay una gran cantidad de tecnologías que podrían finalmente probar su valor. “Las baterías de iones de litio mantendrán su posición de liderazgo para el almacenamiento de energía, en particular para la electrificación del sector del transporte”, dice Manthiram. “En el futuro, las baterías de litio-azufre podrían aumentar aún más la densidad de energía con una reducción de los costes. Las baterías de iones de sodio pueden mejorar la sostenibilidad. En última instancia, las baterías de estado sólido podrían ofrecer un mayor aumento de la densidad de energía con mayor seguridad”.