Premios Nobel
Invertir en logros del Premio Nobel: Baterías de iones de litio para alimentar el mundo
Historia del Premio Nobel
El Premio Nobel es el premio más prestigioso en el mundo científico. Fue creado según la voluntad del señor Alfred Nobel para dar un premio “a aquellos que, durante el año anterior, hayan conferido el mayor beneficio a la humanidad” en física, química, fisiología o medicina, literatura y paz. Un sexto premio sería creado más tarde para las ciencias económicas por el banco central sueco.
La decisión de a quién atribuir el premio pertenece a múltiples instituciones académicas suecas.
Preocupaciones sobre el legado
La decisión de crear el Premio Nobel llegó a Alfred Nobel después de leer su propio obituario, tras un error de un periódico francés que malentendió la noticia de la muerte de su hermano. Titulado “El mercader de la muerte ha muerto”, el artículo francés criticó a Nobel por su invención de explosivos sin humo, de los cuales la dinamita era la más famosa.
Sus invenciones fueron muy influyentes en la configuración de la guerra moderna, y Nobel compró un molino de hierro y acero masivo para convertirlo en un importante fabricante de armamentos. Como era químico, ingeniero e inventor, Nobel se dio cuenta de que no quería que su legado fuera el de un hombre recordado por haber hecho una fortuna con la guerra y la muerte de otros.
Premio Nobel
Hoy en día, la fortuna de Nobel se almacena en un fondo invertido para generar ingresos para financiar la Fundación Nobel y la medalla de oro chapada, el diploma y el premio monetario de 11 millones de SEK (alrededor de $1M) atribuido a los ganadores.
Fuente: Britannica
A menudo, el dinero del Premio Nobel se divide entre varios ganadores, especialmente en campos científicos donde es común que 2 o 3 figuras líderes contribuyan juntas o en paralelo a un descubrimiento innovador.
Con el tiempo, el Premio Nobel se convirtió en EL premio científico, tratando de equilibrar descubrimientos teóricos y muy prácticos. Ha recompensado logros que construyeron los cimientos del mundo moderno como radioactividad, antibióticos, rayos X, o PCR, así como ciencia fundamental como la fuente de energía del sol, la carga del electrón, estructura atómica, o superfluididad.
Una batería para alimentarlos a todos
Hoy en día, la electrificación parece una tendencia imparable, apoderándose de nuestros sistemas de energía y reemplazando los combustibles fósiles, desde vehículos eléctricos hasta bombas de calor. Nada de esto habría sido posible sin la aparición de baterías radicalmente más potentes que los diseños anteriores basados en metal y ácido.
Las baterías, como concepto general, funcionan almacenando electricidad y liberándola nuevamente. Mientras que algunas baterías son de un solo uso, las baterías más útiles son recargables. Durante mucho tiempo, la batería de plomo-ácido, inventada a mediados del siglo XIX, fue la forma dominante de batería recargable gracias a su bajo costo y robustez.
Fuente: Electrical 4 U
En su forma más simple, las baterías de plomo-ácido funcionan transfiriendo iones de azufre del ácido a los átomos de plomo cuando se cargan y revirtiendo esta reacción cuando se descargan.
Fuente: PV Education
Este diseño permaneció como el formato dominante de batería, pero estaba limitado por varios problemas:
- Peso pesado
- Materiales corrosivos.
- Vida útil relativamente corta con solo unos cientos a mil ciclos de vida de la batería.
- Auto-descarga con el tiempo.
- Densidad de energía/almacenamiento de energía limitada.
Todos estos factores limitantes hicieron que la batería de plomo-ácido fuera una buena opción para aplicaciones de baja potencia como operar las chispas y la radio de un automóvil de gasolina. Pero cualquier cosa más exigente, desde electrónica hasta reemplazar los combustibles fósiles, no funcionaría con este tipo de batería.
Esto cambiaría gracias al trabajo combinado de 3 investigadores diferentes, John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham y Akira Yoshino. Juntos, ganarían el Premio Nobel en 2019 en Química por su contribución a la creación de la batería de iones de litio.
Fuente: Nobel Prize
Hoy en día, las baterías de iones de litio han pasado de alimentar computadoras, teléfonos inteligentes y bancos de energía de respaldo a vehículos eléctricos, redes de energía y quizás pronto incluso aviones.
Propiedades eléctricas únicas del litio
El litio se descubrió por primera vez en 1817 por químicos suecos. Es el elemento sólido más ligero, con el número atómico 3 (solo 3 protones en su núcleo).
Fuente: Medium
El pequeño tamaño de los átomos de litio significa que tienen solo un electrón en su capa exterior, y cuando este electrón se mueve a otro átomo, esto les da un cambio de potencial eléctrico enorme por átomo.
Mientras que esta reactividad extrema es ideal para su uso en baterías, también conlleva ciertos peligros. Debido a la alta reactividad del elemento, existe el potencial de que el metal de litio puro se autoinflame cuando entra en contacto con agua o aire. Esto es algo similar al sodio metálico o al magnesio.
La mayoría de las baterías funcionan alrededor del concepto básico de un ánodo negativo y un cátodo positivo, unidos por un electrolito líquido.
Fuente: Nobel Prize
La reactividad extrema del litio significaba que el electrolito no podía ser a base de agua. En la década de 1960, se diseñaron varios electrolitos utilizando moléculas orgánicas (a base de carbono) en lugar de eso, para encontrar la mezcla adecuada de inerteza, punto de fusión, estabilidad redox, solubilidad de iones y sales de litio, tasas de transferencia de iones y electrones, viscosidad, etc.
Fuente: Nobel Prize
El diseño inicial de las baterías de iones de litio utilizaba litio metálico como ánodo y compuestos de carbonato como electrolitos. Pero encontrar el material del cátodo adecuado fue más desafiante.
Big Oil crea baterías de litio
Tan sorprendente como pueda sonar, el origen de la batería de iones de litio moderna, que finalmente pondría en peligro el automóvil de combustión interna, se desarrolló en la compañía de investigación y ingeniería de “Big Oil” Exxon.
En la década de 1970, la idea del “pico del petróleo”, o el agotamiento de las reservas de petróleo, era una amenaza que se tomaba muy en serio las compañías petroleras. Buscando asegurar la presencia continua de la compañía en el sector energético, Exxon contrató a algunos de los mejores científicos en el campo. Les dio presupuestos de investigación generosos combinados con la rara libertad de perseguir independientemente la idea que creyeran que era la más prometedora.
Entre ellos estaba Stanley Whittingham, un investigador de la Universidad de Stanford que se especializaba en “intercalación”. La intercalación es el fenómeno en el que agujeros atómicos en un material pueden unirse a iones.
La intercalación haría del material ideal para construir un cátodo para baterías de iones de litio, que retendría iones de litio en los espacios.
Esto, sin embargo, requirió mucha investigación, ya que el cátodo también necesitaba cumplir con una larga lista de especificaciones:
- No disolverse en el electrolito.
- No intercalación del electrolito.
- La intercalación necesita ser reversible.
- Cambios estructurales mínimos al cargar y descargar.
- Puede operar a temperatura y presión ambiental.
Whittingham finalmente se decidió por el disulfuro de titanio (TiS2), después de considerar el disulfuro de tantalio, pero se decidió por el titanio debido al peso pesado del tantalio.
Fuente: Nobel Prize
Para mejorar el rendimiento, encontraron un método para usar polvo de TiS2 mezclado con Teflón y unido a un soporte de acero, rodeado de una película de polipropileno y metal de litio.
El problema de los dendritos
Un problema aún plagaba el potencial de la batería de iones de litio. A lo largo de muchos ciclos de carga-descarga, una estructura similar a un árbol llamada dendrita se formaba a partir del litio.
Fuente: Nobel Prize
Cuando se rompían a través del aislante que separaba los 2 segmentos de la batería, los dendritos creaban un atajo. Este problema detuvo el desarrollo de una batería de iones de litio comercial en su camino.
Cuando llegaban al otro electrodo, la batería cortocircuitaba lo que podría provocar una explosión.
El cuerpo de bomberos tuvo que apagar varios incendios y finalmente amenazó con hacer que el laboratorio pagara los productos químicos especiales utilizados para extinguir incendios de litio.
Los dendritos se podrían manejar mejor agregando aluminio al ánodo de litio, creando la primera batería de iones de litio comercial, utilizada en relojes en 1976.
En paralelo, los precios del petróleo que habían aumentado vertiginosamente en la estanflación de la década de 1970 volvieron a bajar. También se descubrieron nuevos yacimientos de petróleo, reduciendo el miedo al pico del petróleo. También redujo los ingresos y beneficios de Exxon, obligando a la compañía a recortar la investigación fundamental y a licenciar la batería recién inventada a otras compañías.
Mejor material del cátodo
Donde Stanley Whittingham creó un cátodo viable, el próximo receptor del Premio Nobel, John Goodenough, mejoraría su potencial eléctrico, aumentando el rendimiento de la batería.
Goodenough, un físico y matemático, había contribuido previamente a la invención de la memoria de acceso aleatorio (RAM) en el MIT. Luego se mudó a la Universidad de Oxford para investigar sistemas de energía y baterías en particular.
Al estudiar las baterías de iones de litio recién inventadas, se dio cuenta de que el óxido metálico podría funcionar incluso mejor que el metal de sulfuro de Whittingham. Después de una búsqueda sistemática, encontró que el diseño de óxido de litio y cobalto tenía el doble de potencial eléctrico que el diseño anterior, a 4V, y publicó su descubrimiento en 1980.
Fuente: Nobel Prize
Este diseño de cobalto se mantendría como la característica dominante de las baterías de iones de litio hasta la última década, cuando comenzaron a aparecer químicas alternativas libres de cobalto para baterías de litio. Un proceso que aún está en curso, como discutimos en nuestro artículo “Diseñar una batería mejor – Fuera el cobalto y dentro con… TAQ”.
Un nuevo hogar para la investigación del litio
En los países occidentales, el dramático declive en los precios del petróleo en la década de 1980 redujo la demanda de soluciones de energía alternativa. Sin embargo, en Japón, la electrónica de consumo portátil se convirtió en una industria en auge. Necesitaba un suministro de energía cada vez mayor que también fuera duradera, ligera y lo suficientemente pequeña como para caber en walkmans, cámaras, computadoras, teléfonos inalámbricos, etc.
Akira Yoshino de la Corporación Asahi Kasei se dio cuenta temprano de que las baterías eran el eslabón perdido y que la industria las necesitaría.
Las baterías de iones de litio eran una buena opción en términos de densidad de energía, y ahora tenían un buen cátodo con el diseño de cobalto de Goodenough. Sin embargo, el problema con el ánodo de metal de litio y sus dendritos peligrosos persistía.
Eliminar el litio del ánodo
El grafito, o carbono puro, como la punta de un lápiz, había sido conocido durante mucho tiempo como un posible reemplazo del ánodo de metal de litio, gracias a su bajo potencial eléctrico relativo a Li+/Li. El problema era que el grafito se dañaría y se desmenuzaría en el electrolito orgánico.
La idea clave de Akira Yoshino que le valdría el Premio Nobel fue utilizar coque de petróleo en lugar de grafito. El coque es un subproducto de la industria del petróleo, y algunos grados de calidad del producto resultaron ser estables en las condiciones necesarias para formar una batería de iones de litio.
Yoshino también midió que el ánodo de coque con los grados adecuados de cristalinidad podría acomodar y liberar grandes cantidades de iones de litio. Este diseño era mucho más seguro, abriendo el camino para la comercialización de baterías de iones de litio más grandes.
Yoshino luego construyó una batería con su nuevo ánodo de coque y el cátodo de óxido de cobalto de Goodenough.
Vería un lanzamiento comercial en 1991 por Sony y Asahi Kasei, 11 años después del descubrimiento de Goodenough y 15 años después de la primera batería de iones de litio comercializada de Whittingham.
Fuente: Nobel Prize
Legado y relevancia continuada de las baterías de iones de litio
Las baterías de iones de litio de Yoshino con coque/cobalto óxido rápidamente se convirtieron en todos los dispositivos electrónicos modernos. Juntos, evolucionaron con el progreso en computación y electrónica para crear sucesivamente computadoras portátiles, reproductores de mp3, teléfonos inteligentes, consolas portátiles y tabletas que son omnipresentes en nuestras vidas.
Las baterías de iones de litio experimentarían una nueva revolución con la aparición de los vehículos eléctricos. Inicialmente se vieron impulsados por Tesla y fabricantes de vehículos chinos como BYD (una compañía de baterías antes de convertirse en el mayor fabricante de automóviles eléctricos del mundo, véase más sobre BYD al final del artículo).
Como solo un vehículo eléctrico consume el volumen de batería de cientos de teléfonos inteligentes o computadoras, este cambio en el mercado ha llevado a una explosión en la demanda de baterías de iones de litio, eclipsando el mercado anterior a 2015.
Fuente: Statista
La revolución de la electrificación está en pleno apogeo, incluso si los fabricantes de automóviles tradicionales y los startups más pequeños luchan por hacer la transición, por ahora, superados por agresivos fabricantes de automóviles chinos con una ventaja inicial en la tecnología de vehículos eléctricos.
Las baterías de iones de litio incluso están abriendo camino en la estabilización de la red eléctrica, que cada vez más depende de fuentes de energía renovables intermitentes. Esto es, sin embargo, una categoría en la que las baterías de iones de litio pueden no ser la mejor química disponible, como discutimos en “El futuro del almacenamiento de energía – Tecnología de baterías a escala de servicios públicos”.
Avanzar en la tecnología de baterías
Un problema con la demanda explosiva de baterías de iones de litio de los vehículos eléctricos es que también ha causado una explosión en la demanda de los metales que contiene.
Esto ha causado una volatilidad extrema en los precios del litio, con la industria minera de litio pasando por rápidos ciclos de subproducción y sobreproducción.
Fuente: Carbon Credits
Otros metales, como el cobalto, pueden ser aún más problemáticos, con su producción en masa vinculada al trabajo infantil y a la esclavitud y otros abusos de derechos humanos.
Por estas razones, ya en 1996, John Goodenough identificó el fosfato de hierro y litio (LFP) como una alternativa libre de cobalto (“LiFePO4: Un material de cátodo novel para baterías recargables”).
LFP resultó ser una alternativa más sostenible y más barata que las baterías de iones de litio clásicas, aunque con una densidad de energía más baja. Para 2022, las baterías LFP representaban el 31% del mercado de baterías para vehículos eléctricos. También se utilizan comúnmente en almacenamiento de energía para hogares.
Otras alternativas están llegando al mercado, notablemente las baterías de iones de sodio (que prescinden por completo del litio y utilizan en su lugar sal más barata) y las baterías de estado sólido.
Fuente: Nature
Puedes leer una visión general de la tecnología de baterías orientada a la movilidad en “El futuro de la movilidad – Tecnología de baterías”.
Esto incluye baterías de vidrio, el último concepto de batería en el que trabajó el Dr. Goodenough antes de su fallecimiento en 2023 con afirmaciones asombrosas como el doble de densidad de energía de las baterías de iones de litio convencionales, y la posibilidad de recargarse 23,000 veces, así como un tiempo de carga de solo minutos.
Invertir en tecnología de baterías
Las baterías de iones de litio ya han cambiado el mundo varias veces, desde permitir que la gente lleve electrónica avanzada en todas partes hasta alimentar automóviles con electricidad solamente. Pueden hacerlo nuevamente, o otros tipos de baterías, al permitir una red de energía renovable al 100% o permitir la electrificación de aviones cuando alcancen una densidad de energía lo suficientemente alta.
Puedes invertir en compañías relacionadas con baterías a través de muchos corredores, y puedes encontrar aquí, en securities.io, nuestras recomendaciones para los mejores corredores en EE. UU., Canadá, Australia, Reino Unido, así como muchos otros países.
Si no estás interesado en elegir compañías de baterías específicas, también puedes buscar ETF de baterías como Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT), Global X’s Lithium & Battery Tech ETF (LIT), o el WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF, que te proporcionarán una exposición más diversificada para capitalizar la creciente industria de baterías.
Compañías de baterías
1. CATL (300750.SZ)
CATL es el líder mundial en fabricación de baterías, produciendo más de la mitad del volumen de baterías global.
La compañía está presente en cada paso de la cadena de suministro de fabricación de baterías y es líder en tecnología de baterías.
Esto es cierto para las baterías de iones de litio, donde la compañía ha sido un líder establecido durante mucho tiempo.
CATL también ha anunciado un progreso impresionante en varios otros tipos de baterías:
- Una batería de ciclo ultra-largo de 12,000 ciclos para almacenamiento de energía a escala de servicios públicos, con 18,000 ciclos como objetivo a largo plazo.
- Una batería LFP (Fosfato de hierro y litio) de 700km que carga 400km de autonomía en 10 minutos.
- Una batería de 500 Wh/kg, que podría permitir la electrificación de aviones de pasajeros.
- Producción en masa de baterías de iones de sodio de 160Wh/kg, con un objetivo de 200 Wh/kg.
Fuente: CATL
Más recientemente, se anunció que había resuelto esencialmente el problema de la formación de dendritos con litio metálico como ánodo, gracias a una estructura 3D que bloquea su formación.
La compañía se está volviendo activa en el mercado de baterías a escala de servicios públicos con el anuncio de su sistema TENER. Es “el primer sistema de almacenamiento de energía producible en masa con cero degradación en los primeros cinco años de uso en Beijing, China.”
La compañía también ha invertido 3.25 mil millones en capacidades de reciclaje de baterías en China. CATL ha logrado una tasa de recuperación notable de 99.6% para níquel, cobalto, manganeso y 91% para litio.
Gracias a su escala, enfoque y logros de I+D, CATL probablemente estará a la vanguardia de la innovación, fabricación y reciclaje de baterías. Esto la convierte en un socio clave para los fabricantes de vehículos eléctricos, incluidos Tesla, NIO, Ford, Stellantis, etc.
2. BYD (BYDDY)
Un desafiante de largo tiempo de Tesla en el mercado de vehículos eléctricos, BYD se ha convertido en un competidor serio no solo para Tesla, sino para prácticamente todos los fabricantes de automóviles.
La compañía evolucionó desde su origen como proveedor de baterías de iones de litio para teléfonos a vender casi tantos vehículos eléctricos como Tesla en China (el mayor mercado de vehículos eléctricos del mundo) y ser el vehículo eléctrico más vendido en Tailandia, Suecia, Australia, Nueva Zelanda, Singapur, Israel y Brasil.
BYD es una gran parte de por qué China se convirtió repentinamente en el mayor exportador de automóviles del mundo en 2023, superando a Japón. La expansión agresiva en el extranjero de la compañía también está impulsada por nuevas fábricas, como en Hungría.
Y con el lanzamiento de automóviles de $10,000-$12,000 como el Seagull, que utilizan baterías de sodio, un nuevo mercado puede abrirse para los vehículos eléctricos de BYD.
Todavía una fabricante de baterías en su núcleo, BYD es un desafiante serio para CATL en el mercado de baterías LFP (fosfato de hierro y litio), con una participación de mercado del 41.1% en China (en comparación con el 33.9% de CATL).
La “inundación” de vehículos eléctricos baratos producidos por BYD en los mercados europeos y americanos probablemente se encontrará con algún nivel de proteccionismo (incluso por encima de los aranceles recientemente impuestos), lo que podría obstaculizar el crecimiento de BYD.
Pero al mismo tiempo, los vehículos eléctricos baratos chinos ya son un gran éxito en el resto del mundo, que no tiene tantos fabricantes de automóviles nacionales que proteger, incluyendo toda América del Sur, Rusia, África, Medio Oriente y Sudeste Asiático.
Esto representa varios miles de millones de clientes potenciales para BYD, que viven en países ansiosos por mantener un equilibrio geopolítico y mantener buenas relaciones tanto con Occidente como con China, por lo que es poco probable que creen barreras proteccionistas demasiado fuertes.
