Si está leyendo esto en un teléfono móvil o una computadora portátil, podría agradecer a los tres galardonados con el Premio Nobel de Química de este año por su trabajo con las baterías de iones de litio.

Sin embargo, las baterías desarrolladas por los británicos, Los ganadores estadounidenses y japoneses que hacen posibles esos dispositivos son mucho más revolucionarios que solo para la informática y las llamadas en movimiento. Los avances logrados por los tres también hicieron que el almacenamiento de energía procedente de fuentes renovables fuera más factible. abriendo un frente completamente nuevo en la lucha contra el calentamiento global.

"Esta es una historia muy cargada de tremendo potencial, "dijo Olof Ramstrom del comité Nobel de química.

El premio anunciado el miércoles fue para John B. Goodenough, 97, un profesor de ingeniería estadounidense nacido en Alemania en la Universidad de Texas; M. Stanley Whittingham, 77, profesor de química británico-estadounidense en la Universidad Estatal de Nueva York en Binghamton; y Akira Yoshino, 71, de la empresa química Asahi Kasei Corp. y la Universidad Meijo en Japón.

El honor otorgado a los tres científicos es la piedra angular de una tecnología verdaderamente transformadora que ha permeado miles de millones de vidas en todo el planeta. incluida cualquier persona que utilice teléfonos móviles, ordenadores, marcapasos, coches eléctricos y más.

"El corazón del teléfono es la batería recargable. El corazón del vehículo eléctrico es la batería recargable. El éxito y el fracaso de tantas nuevas tecnologías dependen de las baterías, "dijo Alexej Jerschow, químico de la Universidad de Nueva York, cuya investigación se centra en el diagnóstico de baterías de iones de litio.

Whittingham expresó su esperanza de que la atención del Nobel pudiera dar un nuevo ímpetu a los esfuerzos para satisfacer las voraces y crecientes demandas de energía del mundo.

"Estoy abrumado por la gratitud por recibir este premio, y honestamente tengo muchas personas a las que agradecer, No se donde empezar, ", dijo en un comunicado emitido por su universidad." Tengo la esperanza de que este reconocimiento ayude a arrojar una luz muy necesaria sobre el futuro energético de la nación ".

Suficientemente bueno, que es considerado un gigante intelectual de la física y la química del estado sólido, es la persona de mayor edad en ganar un Premio Nobel, superando a Arthur Ashkin, quien tenía 96 años cuando recibió el Nobel de Física el año pasado. Goodenough todavía funciona todos los días.

"Eso es lo bueno:no te hacen jubilarte a cierta edad en Texas. Te permiten seguir trabajando, ", dijo a los periodistas en Londres." Así que he tenido 33 años más para seguir trabajando en Texas ".

Cada uno de los tres tuvo avances únicos que, en conjunto, sentaron las bases para el desarrollo de una batería recargable comercial. para reemplazar pilas alcalinas como las que contienen plomo o zinc, que tuvo sus orígenes en el siglo XIX.

Las baterías de iones de litio, las primeras baterías verdaderamente portátiles y recargables, tardaron más de una década en desarrollarse, y se basó en el trabajo de varios científicos de EE. UU., Japón y el mundo.

El trabajo tuvo sus raíces en la crisis del petróleo en la década de 1970, cuando Whittingham estaba trabajando en esfuerzos para desarrollar tecnologías energéticas libres de combustibles fósiles. Aprovechó la enorme tendencia del litio, el metal más ligero, a ceder sus electrones para hacer una batería capaz de generar algo más de dos voltios.

Para 1980, Goodenough había duplicado la capacidad de la batería a cuatro voltios mediante el uso de óxido de cobalto en el cátodo, uno de los dos electrodos, junto con el ánodo, que forman los extremos de una batería.

Pero esa batería seguía siendo demasiado explosiva para el uso comercial general. Ahí es donde entró el trabajo de Yoshino en la década de 1980. Sustituyó el coque de petróleo, un material de carbono, en el ánodo de la batería. Este paso allanó el camino para el primer peso ligero, a salvo, baterías comerciales duraderas y recargables que se fabricarán y entrarán en el mercado en 1991.

"Hemos tenido acceso a una revolución técnica, ", dijo Sara Snogerup Linse del comité Nobel de química." Los galardonados desarrollaron baterías livianas con un potencial lo suficientemente alto como para ser útiles en muchas aplicaciones:electrónica verdaderamente portátil:teléfonos móviles, marcapasos, pero también coches eléctricos de larga distancia ".

"La capacidad de almacenar energía de fuentes renovables:el sol, el viento:se abre al consumo de energía sostenible, " ella añadió.

Hablando en una conferencia de prensa en Tokio, Yoshino dijo que pensaba que podría haber una larga espera antes de que el comité del Nobel recurriera a su especialidad, pero estaba equivocado. Le dio la noticia a su esposa, que estaba tan sorprendido como él.

"Solo hablé con ella brevemente y le dije:'Lo tengo, 'y sonaba que estaba tan sorprendida que sus rodillas casi cedieron, " él dijo.

El trío compartirá 9 millones de coronas ($ 918, 000) premio en efectivo. Sus medallas de oro y diplomas se entregarán en Estocolmo el 10 de diciembre, el aniversario de la muerte del fundador del premio, Alfred Nobel, en 1896.

El martes, James Peebles, nacido en Canadá, ganó el premio Nobel de física por sus descubrimientos teóricos en cosmología junto con los científicos suizos Michel Mayor y Didier Queloz. quienes fueron honrados por encontrar un exoplaneta, un planeta fuera de nuestro sistema solar, que orbita una estrella de tipo solar.

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Los estadounidenses William G. Kaelin Jr. y Gregg L. Semenza y el británico Peter J. Ratcliffe ganaron el lunes el premio Nobel por avances en fisiología o medicina. Fueron citados por sus descubrimientos de "cómo las células perciben y se adaptan a la disponibilidad de oxígeno".

El jueves se anunciarán dos premios Nobel de literatura, uno para 2018 y otro para 2019, porque el premio del año pasado fue suspendido luego de que un escándalo de abuso sexual sacudiera a la Academia Sueca. El codiciado Premio Nobel de la Paz es el viernes y el premio de economía se anunciará el lunes.

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Comunicado de prensa:Premio Nobel de Química 2019

La Real Academia Sueca de Ciencias ha decidido otorgar el Premio Nobel de Química 2019 a

John B. Goodenough
La Universidad de Texas en Austin, Estados Unidos

M. Stanley Whittingham
Universidad de Binghamton, Universidad Estatal de Nueva York, Estados Unidos

Akira Yoshino
Corporación Asahi Kasei, Tokio Japón
Universidad de Meijo, Nagoya, Japón

"para el desarrollo de baterías de iones de litio"

Crearon un mundo recargable

El Premio Nobel de Química 2019 premia el desarrollo de la batería de iones de litio. Este ligero La batería recargable y potente ahora se usa en todo, desde teléfonos móviles hasta computadoras portátiles y vehículos eléctricos. También puede almacenar cantidades significativas de energía de la energía solar y eólica, haciendo posible una sociedad libre de combustibles fósiles.

Las baterías de iones de litio se utilizan a nivel mundial para alimentar los dispositivos electrónicos portátiles que usamos para comunicarnos, trabaja, estudio, escuchar música y buscar conocimientos. Las baterías de iones de litio también han permitido el desarrollo de coches eléctricos de largo alcance y el almacenamiento de energía procedente de fuentes renovables. como la energía solar y eólica.

La base de la batería de iones de litio se estableció durante la crisis del petróleo en la década de 1970. Stanley Whittingham trabajó en el desarrollo de métodos que podrían conducir a tecnologías energéticas libres de combustibles fósiles. Comenzó a investigar superconductores y descubrió un material extremadamente rico en energía, que utilizó para crear un cátodo innovador en una batería de litio. Este estaba hecho de disulfuro de titanio que, a nivel molecular, Tiene espacios que pueden albergar - intercalar - iones de litio.

El ánodo de la batería estaba parcialmente hecho de litio metálico, que tiene un fuerte impulso para liberar electrones. Esto resultó en una batería que literalmente tenía un gran potencial, poco más de dos voltios. Sin embargo, el litio metálico es reactivo y la batería era demasiado explosiva para ser viable.

John Goodenough predijo que el cátodo tendría un potencial aún mayor si se fabricara con un óxido metálico en lugar de un sulfuro metálico. Después de una búsqueda sistemática, en 1980 demostró que el óxido de cobalto con iones de litio intercalados puede producir hasta cuatro voltios. Este fue un avance importante y conduciría a baterías mucho más potentes.

Con el cátodo de Goodenough como base, Akira Yoshino creó la primera batería de iones de litio comercialmente viable en 1985. En lugar de utilizar litio reactivo en el ánodo, usó coque de petróleo, un material de carbono que, como el óxido de cobalto del cátodo, Puede intercalar iones de litio.

El resultado fue un peso ligero, batería resistente que podría cargarse cientos de veces antes de que su rendimiento se deteriore. La ventaja de las baterías de iones de litio es que no se basan en reacciones químicas que descomponen los electrodos, sino sobre iones de litio que fluyen de un lado a otro entre el ánodo y el cátodo.

Las baterías de iones de litio han revolucionado nuestras vidas desde que ingresaron al mercado por primera vez en 1991. Han sentado las bases de una tecnología inalámbrica, sociedad libre de combustibles fósiles, y son de gran beneficio para la humanidad.

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Fondo de ciencia popular

Desarrollaron la batería más potente del mundo

El Premio Nobel de Química 2019 se otorga a John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham y Akira Yoshino por sus contribuciones al desarrollo de la batería de iones de litio. Esta batería recargable sentó las bases de la electrónica inalámbrica, como teléfonos móviles y computadoras portátiles. También hace posible un mundo libre de combustibles fósiles, ya que se utiliza para todo, desde la alimentación de coches eléctricos hasta el almacenamiento de energía procedente de fuentes renovables.

Un elemento rara vez llega a desempeñar un papel central en un drama, pero la historia del Premio Nobel de Química de 2019 tiene un protagonista claro:el litio, un elemento antiguo que se creó durante los primeros minutos del Big Bang. La humanidad se dio cuenta de ello en 1817, cuando los químicos suecos Johan August Arfwedson y Jöns Jacob Berzelius lo purificaron a partir de una muestra de mineral de la mina Utö, en el archipiélago de Estocolmo.

Berzelius nombró al nuevo elemento después de la palabra griega para piedra, lithos. A pesar de su pesado nombre, es el elemento sólido más ligero, por eso apenas notamos los teléfonos móviles que ahora llevamos.

Para ser completamente correcto:los químicos suecos en realidad no encontraron litio metálico puro, sino iones de litio en forma de sal. El litio puro ha activado muchas alarmas de incendio, no menos importante en la historia que contaremos aquí; es un elemento inestable que debe almacenarse en aceite para que no reaccione con el aire.

La debilidad del litio, su reactividad, es también su fuerza. A principios de la década de 1970, Stanley Whittingham usó el enorme impulso del litio para liberar su electrón externo cuando desarrolló la primera batería de litio funcional. En 1980, John Goodenough duplicó el potencial de la batería, creando las condiciones adecuadas para una batería mucho más potente y útil. En 1985, Akira Yoshino logró eliminar el litio puro de la batería, en lugar de basarlo completamente en iones de litio, que son más seguros que el litio puro. Esto hizo que la batería funcionara en la práctica. Las baterías de iones de litio han aportado el mayor beneficio a la humanidad, ya que han permitido el desarrollo de computadoras portátiles, teléfonos móviles, vehículos eléctricos y almacenamiento de energía generada por energía solar y eólica.

Ahora retrocederemos cincuenta años en el tiempo, al comienzo de la historia de alta carga de la batería de iones de litio.

La neblina de gasolina revitaliza la investigación sobre baterías

A mediados del siglo XX, el número de automóviles de gasolina en el mundo aumentó significativamente, y sus gases de escape empeoraron el smog nocivo que se encuentra en las grandes ciudades. Esta, combinado con la creciente conciencia de que el petróleo es un recurso finito, Sonó una alarma tanto para los fabricantes de vehículos como para las empresas petroleras. Necesitaban invertir en vehículos eléctricos y fuentes alternativas de energía para que sus negocios sobrevivieran.

Los vehículos eléctricos y las fuentes de energía alternativas requieren baterías potentes que puedan almacenar grandes cantidades de energía. En realidad, solo había dos tipos de baterías recargables en el mercado en este momento:la batería de plomo pesada que se había inventado en 1859 (y que todavía se usa como batería de arranque en automóviles de gasolina) y la batería de níquel-cadmio. que se desarrolló en la primera mitad del siglo XX.

Las empresas petroleras invierten en nuevas tecnologías

La amenaza de agotamiento del petróleo resultó en un gigante petrolero, Exxon, decidiendo diversificar sus actividades. En una importante inversión en investigación básica, reclutaron a algunos de los investigadores más destacados de la época en el campo de la energía, dándoles la libertad de hacer prácticamente lo que quisieran siempre que no se tratara de petróleo.

Stanley Whittingham fue uno de los que se trasladaron a Exxon en 1972. Provenía de la Universidad de Stanford, donde su investigación había incluido materiales sólidos con espacios del tamaño de un átomo en los que se pueden unir iones cargados. Este fenómeno se llama intercalación. Las propiedades de los materiales cambian cuando los iones quedan atrapados en su interior. En Exxon, Stanley Whittingham y sus colegas comenzaron a investigar materiales superconductores, incluido el disulfuro de tantalio, que puede intercalar iones. Agregaron iones al disulfuro de tantalio y estudiaron cómo se veía afectada su conductividad.

Whittingham descubre un material extremadamente denso en energía

Como suele ocurrir en la ciencia, este experimento condujo a un descubrimiento inesperado y valioso. Resultó que los iones de potasio afectaron la conductividad del disulfuro de tantalio, y cuando Stanley Whittingham comenzó a estudiar el material en detalle, observó que tenía una densidad de energía muy alta. Las interacciones que surgieron entre los iones de potasio y el disulfuro de tantalio fueron sorprendentemente ricas en energía y, cuando midió el voltaje del material, eran un par de voltios. Esto fue mejor que muchas de las baterías de esa época. Stanley Whittingham se dio cuenta rápidamente de que era hora de cambiar de rumbo, avanzando hacia el desarrollo de nueva tecnología que pueda almacenar energía para los vehículos eléctricos del futuro. Sin embargo, el tantalio es uno de los elementos más pesados ​​y el mercado no necesitaba cargar con baterías más pesadas, por lo que reemplazó el tantalio con titanio, un elemento que tiene propiedades similares pero es mucho más ligero.

Litio en el electrodo negativo

¿No se supone que el litio tiene un lugar de honor en esta historia? Bien, aquí es donde el litio entra en la narrativa, como el electrodo negativo de la innovadora batería de Stanley Whittingham. El litio no fue una elección aleatoria; en una batería, los electrones deben fluir desde el electrodo negativo, el ánodo, al positivo, el cátodo. Por lo tanto, el ánodo debe contener un material que ceda fácilmente sus electrones y, de todos los elementos, el litio es el que libera electrones con mayor voluntad.

El resultado fue una batería de litio recargable que funcionaba a temperatura ambiente y, literalmente, tenía un gran potencial. Stanley Whittingham viajó a la sede de Exxon en Nueva York para hablar sobre el proyecto. La reunión duró unos quince minutos, Posteriormente, el grupo de gestión tomó una decisión rápida:desarrollarían una batería comercialmente viable utilizando el descubrimiento de Whittingham.

La batería explota y baja el precio del petróleo

Desafortunadamente, el grupo que iba a empezar a producir la batería sufrió algunos contratiempos. Como la nueva batería de litio se cargó repetidamente, del electrodo de litio crecieron delgados bigotes de litio. Cuando llegaron al otro electrodo, la batería sufrió un cortocircuito, lo que podría provocar una explosión. El cuerpo de bomberos tuvo que apagar varios incendios y finalmente amenazó con hacer pagar al laboratorio los productos químicos especiales utilizados para extinguir los incendios de litio.

Para que la batería sea más segura, Se añadió aluminio al electrodo de litio metálico y se cambió el electrolito entre los electrodos. Stanley Whittingham anunció su descubrimiento en 1976 y la batería comenzó a producirse a pequeña escala para un relojero suizo que quería usarla en relojes con energía solar.

El siguiente objetivo era ampliar la batería de litio recargable para que pudiera alimentar un automóvil. Sin embargo, el precio del petróleo cayó drásticamente a principios de la década de 1980 y Exxon tuvo que hacer recortes. El trabajo de desarrollo se interrumpió y la tecnología de baterías de Whittingham se concedió bajo licencia a tres empresas diferentes en tres partes diferentes del mundo.

Sin embargo, esto no significó que el desarrollo se detuviera. Cuando Exxon se rindió, John Goodenough se hizo cargo.

La crisis del petróleo hace que Goodenough se interese por las baterías

De pequeño, John Goodenough tuvo problemas importantes para aprender a leer, que fue una de las razones por las que se sintió atraído por las matemáticas y, finalmente, después de la Segunda Guerra Mundial, también por la física. Trabajó durante muchos años en el Laboratorio Lincoln del Instituto Tecnológico de Massachusetts, MIT. Mientras que hay, contribuyó al desarrollo de la memoria de acceso aleatorio (RAM), que sigue siendo un componente fundamental de la informática.

John Goodenough, como tantas otras personas en la década de 1970, se vio afectada por la crisis del petróleo y quiso contribuir al desarrollo de fuentes alternativas de energía. Sin embargo, el Laboratorio Lincoln fue financiado por la Fuerza Aérea de los Estados Unidos y no permitió todo tipo de investigación, así que cuando le ofrecieron un puesto como profesor de química inorgánica en la Universidad de Oxford en Gran Bretaña, aprovechó la oportunidad y entró en el importante mundo de la investigación energética.

Altos voltajes cuando los iones de litio se esconden en óxido de cobalto

John Goodenough sabía sobre la revolucionaria batería de Whittingham, pero su conocimiento especializado del interior de la materia le dijo que su cátodo podría tener un mayor potencial si se construyera utilizando un óxido metálico en lugar de un sulfuro metálico. A algunas personas de su grupo de investigación se les asignó la tarea de encontrar un óxido metálico que produjera un alto voltaje cuando intercalaba iones de litio. pero que no colapsó cuando se eliminaron los iones.

Esta búsqueda sistemática tuvo más éxito de lo que John Goodenough se había atrevido a esperar. La batería de Whittingham generó más de dos voltios, pero Goodenough descubrió que la batería con óxido de litio y cobalto en el cátodo era casi dos veces más potente, a cuatro voltios.

Una clave de este éxito fue que John Goodenough se dio cuenta de que las baterías no tenían que fabricarse en su estado cargado. como se había hecho anteriormente. En lugar de, podrían cargarse posteriormente. En 1980, publicó el descubrimiento de este nuevo, material de cátodo denso en energía que, a pesar de su bajo peso, resultó en poderoso, Baterías de gran capacidad. Este fue un paso decisivo hacia la revolución inalámbrica.

Las empresas japonesas quieren baterías ligeras para nuevos dispositivos electrónicos

Sin embargo, en el oeste, a medida que el petróleo se abarataba, el interés palideció en inversiones en tecnología de energía alternativa y el desarrollo de vehículos eléctricos. Las cosas eran diferentes en Japón; Las empresas de electrónica estaban desesperadas por conseguir un peso ligero, baterías recargables que podrían alimentar dispositivos electrónicos innovadores, como cámaras de video, teléfonos inalámbricos y computadoras. Una persona que vio esta necesidad fue Akira Yoshino de Asahi Kasei Corporation. O como él dijo:"Simplemente olfateé la dirección en la que se estaban moviendo las tendencias. Se podría decir que tenía un buen sentido del olfato".

Yoshino construye la primera batería de iones de litio comercialmente viable

Cuando Akira Yoshino decidió desarrollar una batería recargable funcional, tenía el óxido de litio-cobalto de Goodenough como cátodo y trató de usar varios materiales a base de carbono como ánodo. Los investigadores habían demostrado previamente que los iones de litio se podían intercalar en las capas moleculares del grafito, pero el grafito fue degradado por el electrolito de la batería. El momento eureka de Akira Yoshino llegó cuando, en cambio, intentó usar coque de petróleo, un subproducto de la industria petrolera. Cuando cargó el coque de petróleo con electrones, los iones de litio se introdujeron en el material. Luego, cuando encendió la batería, los electrones y los iones de litio fluyeron hacia el óxido de cobalto en el cátodo, que tiene un potencial mucho mayor.

La batería desarrollada por Akira Yoshino es estable, ligero, tiene una gran capacidad y produce unos notables cuatro voltios. La mayor ventaja de la batería de iones de litio es que los iones están intercalados en los electrodos. La mayoría de las demás baterías se basan en reacciones químicas en las que los electrodos se cambian lenta pero seguramente. Cuando se carga o se utiliza una batería de iones de litio, los iones fluyen entre los electrodos sin reaccionar con su entorno. Esto significa que la batería tiene una vida útil prolongada y se puede cargar cientos de veces antes de que su rendimiento se deteriore.

Otra gran ventaja es que la batería no tiene litio puro. En 1986, cuando Akira Yoshino estaba probando la seguridad de la batería, actuó con cautela y utilizó una instalación diseñada para probar dispositivos explosivos. Dejó caer un gran trozo de hierro sobre la batería, Pero nada pasó. Sin embargo, al repetir el experimento con una batería que contenía litio puro, hubo una violenta explosión.

Pasar las pruebas de seguridad fue fundamental para el futuro de la batería. Akira Yoshino dice que este fue "el momento en que nació la batería de iones de litio".

La batería de iones de litio:necesaria para una sociedad libre de combustibles fósiles

En 1991, una importante empresa de electrónica japonesa comenzó a vender las primeras baterías de iones de litio, conduciendo a una revolución en la electrónica. Los teléfonos móviles se redujeron, las computadoras se convirtieron en portátiles y se desarrollaron reproductores MP3 y tabletas.

Después, investigadores de todo el mundo han buscado en la tabla periódica en busca de baterías aún mejores, pero nadie ha logrado inventar algo que supere la alta capacidad y voltaje de la batería de iones de litio. Sin embargo, se ha cambiado y mejorado la batería de iones de litio; entre otras cosas, John Goodenough ha reemplazado el óxido de cobalto con fosfato de hierro, lo que hace que la batería sea más ecológica.

Como casi todo lo demás la producción de baterías de iones de litio tiene un impacto en el medio ambiente, pero también hay enormes beneficios ambientales. La batería ha permitido el desarrollo de tecnologías energéticas más limpias y vehículos eléctricos, contribuyendo así a reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y partículas.

A través de su trabajo, John Goodenough, Stanley Whittingham y Akira Yoshino han creado las condiciones adecuadas para una sociedad inalámbrica y libre de combustibles fósiles. y así trajo el mayor beneficio a la humanidad.

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