Les bateries de liti (John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham, Akira Yoshino; Premi Nobel de Química, 2019)

Electroquímica: S’ha comunicat la concessió del Premi Nobel de Química d’enguany a John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham i Akira Yoshino “pel desenvolupament de bateries d’ió liti

Esquema bàsic d’una bateria recarregable

John B. Goodenough

John B. Goodenough (*Jena, 25.7.1922) nasqué del matrimoni d’Erwin Ramsdell Goodenough (1893-1965) i de Helen Merriam. El seu pare treballava en aquella època en la seva tesi doctoral sobre teologia a la Harvard Divinity School, esdevenint després professor d’història de religió a Yale. Com el seu germà gran Ward, John estudià al Groton School, però mentre Ward s’orientà cap a l’antropologia, ell ho féu cap a la matemàtica, graduant-s’hi a Yale el 1944. Serví després en el servei meteorològic del US Army fins a l’acabament de la guerra mundial. De retorn, va començar la tesi doctoral a la University of Chicago, sota la supervisió de Clarence Zener (1905-1993), i la defensà amb èxit el 1952.

Després del doctorat, treballà al Lincoln Laboratory del MIT en un equip dedicat al desenvolupament de dispositius magnètics de memòria d’accés aleatori (memòria RAM). En el curs d’aquest treballs descrigué les lleis que governen l’ordenament orbital cooperatiu en òxids.

En els anys 1970 esdevingué cap del Inorganic Chemistry Laboratory de la University of Oxford. Identificà el LixCoO2 com el material òptim per als càtodes de bateries recarregables.

En el 1986 esdevingué professor a la University of Texas at Austin. Fins els nostres dies, a 97 anys, combina la docència i la recerca en el camp de la tecnologia de bateries.

M. Stanley Whittingham

Michael Stanley Whittingham (*Lincolnshire, 1941) es formà a la Stamford School (1951-1960). Ingressà al New College d’Oxford per estudiar-hi química, graduant-s’hi el 1964, i obtenint-hi el mestratge (1967) i el doctorat (1968). Fou investigador postdoctoral a la Stanford University fins el 1972, passant després a treballar per l’Exxon Research & Engineering Company. El 1984 passà a la companyia Schlumberger, on treballà durant quatre anys. Des del 1989 és professor de la Binghamton University, a l’estat de Nova York.

Akira Yoshino

吉野 彰 (Suita, 30.1.1948) es va formar a la Universitat de Kioto, on s’hi graduà en enginyeria (1970). Després de fer-hi el mestratge a Kioto (1972), passà a la Universitat d’Osaka on aconseguí el doctorat en enginyeria. Paral·lelament, treballà al Laboratori Kawasaki de la companyia Asahi Kasei, on, a partir del 1981, es dedicà al desenvolupament de bateries d’ió liti. El 1992 passà a dirigir el grup de desenvolupament de producte del Departament de Promoció del Negoci de les Bateries de Liti de l’Asahi Kasei. El 1994 dirigí el projecte conjunt sobre bateries de liti d’Asahi Kasei i de Toshiba.

El desenvolupament de les bateries recarregables de liti

L’estructura bàsica d’una bateria consisteix en una cèl·lula integrada per dos elèctrodes (càtode i ànode), connectats amb un circuit elèctric, i immersos en un electròlit. Per evitar curt-circuits, càtode i ànode són separats sovint addicionalment per un material aïllant. La bateria alimenta el circuit elèctric a través d’un procés redox: l’oxidació de l’ànode allibera electrons que són captats per la reducció del càtode. El voltatge de la bateria depèn del diferencial de càrrega d’ànode i càtode.

En les bateries secundàries o recarregables, el procés redox pot ésser revertit, de manera que la bateria es pot trobar en un mode de descàrrega o en un mode de càrrega. Mentre que la descàrrega és un procés espontani, la càrrega és un procés que requereix energia exterior (p.ex. energia elèctrica).

La pila voltaica de començament del segle XIX era una cèl·lula de zinc i de coure (Zn/Cu). Consistia en una pila alternant de vora 20 plaques de zinc i de coure, separats per cartró i coure, i immersos en una solució aquosa (electròlit). El zinc (o l’estany en altres versions) actua d’ànode, i el coure (o l’argent) de càtode. La pila de Zn/Cu serví per definir el volt com a unitat de potencial elèctric. La descàrrega consisteix en l’oxidació del Zn i en la reducció de l’òxid de coure (CuO). És un tipus de bateria primària, és a dir no recarregable.

El 1860, Gaston Planté construí una bateria recarregable de plom-àcid. Aquesta bateria consta de dos elèctrodes de plom, amb un cert contingut d’òxid de plom (PbO2). Els dos elèctrodes se separen amb una solució electrolític d’àcid sulfúric. En el procés de descàrrega, hi ha una oxidació en l’ànode i una reducció en el càtode. El potencial elèctric durant la descàrrega és de 2 V.

En el 1899 es desenvoluparen bateries recarregables amb electròlit alcalí, com la níquel-ferro (Ni-Fe) i la níquel-cadmi (Ni-Cd).

En els anys 1960 diversos grups de recerca treballaren en la possible aplicació del liti en bateries recarregables. Una línia d’investigació era el desenvolupament d’electròlits no-aquosos adients a les característiques del liti: un dels candidats a aquesta funció era el carbonat de propilè. Una altra línia d’investigació era seleccionar els materials dels elèctrodes, per exemple combinant liti metàl·lic en l’ànode i un compost de liti en el càtode. Wittingham & Gamble (1975) estudiaren la intercalació de liti en compostos com el disulfur de titani (TiS2). En el mateix any Whittingham registrava en l’Oficina de Patents de Bèlgica una “bateria a base de calcogenurs”. Aquest sistema de bateria, amb un ànode de liti metàl·lic i un càtode de LixTiS2 era objecte d’un article a la revista Science (Whittingham, 1976). En la bateria de Whittingham l’electròlit era una solució de LiPF6 en carbonat de propilè. El potencial elèctric era de 2,5 V.

Whittingham (1978) revisà la qüestió de la química de compostos d’intercalació per fer servir calcogènids com a hostes de metalls, amb la vista particularment posada en el liti. Els materials devien presentar una banda electrònica accessible, havien d’acomodar l’ió liti en un ample rang estequiomètric mantenint l’estructura, mostrar una àmplia difusivitat per a aquest ió, ésser bons conductors, ésser insolubles en l’electròlit i poder operar en condicions ambientals de temperatura i pressió. S’aconseguiren bateries grans que arribaven a 45 Wh amb l’ús d’una solució de LiClO4 en dioxolà com a electròlit. Més tard es provà com a electròlit una solució de borat de tetrametil.

Un dels problemes d’aquestes primeres bateries de liti era la formació de dendrites en la superfície metàl·lica després de diversos cicles de càrrega i descàrrega. Les dendrites acabaven per penetrar en la capa de separació, amb el consegüent risc d’incendi per curt-circuit.

Una alternativa per salvar aquest problema era una configuració de transferència iònica, en la qual tots dos elèctrodes poguessin acomodar ions. D’aquesta manera ja no era necessari l’ús de liti metàl·lic: tant l’ànode com el càtode serien fets de compostos de liti. A banda de calcogenurs hom contemplava també l’ús de materials de carboni com el grafit.

En el 1980, el grup de Goodenough proposava LixCoO2 com a material per al càtode d’una bateria de liti (Mizushima, 1980). Aquesta línia de recerca conduí a una patent sobre conductors ràpids d’ions, registrada a nom de Goodenough i Mizushima (1982). Aquestes bateries de LixCoO2 oferien un potencial de 4-5 V.. Com a electròlit es feia servir una solució de LiBF4 en carbonat de propilè.

El grup de Yoshino (Asahi Kasei Corp.) registrà el 1985 una patent japonesa (n. 1989293) i el 1987 una patent nord-americana de bateria secundària. Com a material d’ànode postulaven un coc de petroli tractat tèrmicament, material carbonaci que conté una barreja cristal·lina (grafítica) i amorfa (carbó). Com a material de càtode s’utilitzava LixCoO2 amb petites quantitats d’estany. L’electròlit era LiClO4 dissolt en carbonat de propilè.

El 1991 es comercialitzava una bateria de liti amb ànode de coc de petroli, càtode de LixCoO2 i electròlit de LiPF6 dissolt en carbonat de propilè. El voltatge de càrrega era de 4,1 V, amb una densitat energètica de 80 Wh/kg.

En la següent generació de bateries de liti, com a material anòdic s’emprava finalment grafit. Aquest canvi permetia una densitat energètica dues vegades superiors a les bateries de liti de primera generació.

En l’evolució posterior de les bateries de liti han aparegut diverses alternatives de material catòdic. Algunes d’aquestes alternatives han sorgit de la recerca del grup de Goodenough com el Li1-xMn2O4 (Thackeray et al., 1983) i LixFePO4 (Padhi et al., 1997). Diferents combinacions de materials fan possible un ventall més ample d’aplicacions de les bateries de liti, més enllà de dispositius electrònics mòbils o de motors elèctrics.

Lligams:

Comunicat de premsa de la Reial Acadèmia Sueca de Ciències.

Aquesta entrada ha esta publicada en 6. La Civilització. Afegeix a les adreces d'interès l'enllaç permanent.

Deixa un comentari

L'adreça electrònica no es publicarà. Els camps necessaris estan marcats amb *

Aquest lloc utilitza Akismet per reduir el correu brossa. Aprendre com la informació del vostre comentari és processada