Premios Nobel
Invertir en los logros del Premio Nobel: baterías de iones de litio para impulsar el mundo
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Historia del Premio Nobel
El Premio Nobel es el galardón más prestigioso del mundo científico. Fue creado según el testamento del Sr. Alfred Nobel para otorgar un premio “a quienes, durante el año anterior, hayan conferido el mayor beneficio a la humanidad” en física, química, fisiología o medicina, literatura y paz. Un sexto premio se crearía más tarde para ciencias económicas por el banco central sueco.
La decisión de a quién atribuir el premio corresponde a varias 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 malinterpretó la noticia de la muerte de su hermano. Titulado “El Comerciante de la Muerte está 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 una enorme fábrica de hierro y acero para convertirla en un importante fabricante de armamento. Como primero fue 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 a costa de 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 que financien la Fundación Nobel y la medalla verde dorada chapada en oro, el diploma y el premio monetario de 11 millones de SEK (alrededor de 1 millón $) atribuido a los ganadores.
Fuente: Britannica
Con frecuencia, el dinero del Premio Nobel se divide entre varios ganadores, especialmente en campos científicos donde es común que 2 o 3 figuras principales contribuyan juntas o en paralelo a un descubrimiento revolucionario.
A lo largo de los años, el Premio Nobel se convirtió en EL premio científico, intentando equilibrar descubrimientos teóricos y muy prácticos. Ha premiado logros que sentaron las bases del mundo moderno como la radioactividad, los antibióticos, los rayos X, o el PCR, así como ciencia fundamental como la fuente de energía del sol, la carga del electrón, la estructura atómica, o la superfluidez.
Una Batería para Alimentar a Todos
Hoy, la electrificación parece una tendencia imparable, tomando el control de nuestros sistemas energéticos 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 de nuevo. Mientras que algunas baterías son de un solo uso, las 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 sus bajos costos 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 al cargar y revirtiendo esta reacción al descargar.
Fuente: PV Education
Este diseño se mantuvo como el formato dominante de batería pero estaba limitado por varios problemas:
- Peso elevado
- Materiales corrosivos.
- Vida útil relativamente corta, con solo unos cientos a mil ciclos.
- Autodescarga con el tiempo.
- Densidad de energía/almacenamiento limitada.
Todos estos factores limitantes hicieron que la batería de plomo‑ácido fuera una buena opción para aplicaciones de baja potencia como operar las bujías y la radio de un coche de gasolina. Pero cualquier cosa más exigente, desde electrónica hasta la sustitución de 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, las baterías de iones de litio han pasado de alimentar computadoras, smartphones y bancos de energía de respaldo a vehículos eléctricos, redes eléctricas y quizá pronto incluso aviones.
Propiedades Eléctricas Únicas del Litio
El litio fue descubierto por primera vez en 1817 por químicos suecos. Es el elemento sólido más ligero, con número atómico 3 (solo 3 protones en su núcleo).
Fuente: Medium
El pequeño tamaño de los átomos de litio significa que solo tienen un electrón en su capa externa, y cuando este electrón se traslada a otro átomo, les brinda un enorme cambio de potencial eléctrico por átomo.
Si bien esta reactividad extrema es ideal para su uso en baterías, conlleva ciertos peligros. Debido a la alta reactividad del elemento, el litio metálico puro puede autoencenderse al entrar en contacto con agua o aire. Esto es algo similar al sodio o magnesio metálico.
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 extrema reactividad del litio implicó que el electrolito no pudiera ser a base de agua. En la década de 1960, se diseñaron varios electrolitos usando moléculas orgánicas (basadas en carbono) para encontrar la combinación adecuada de inercia, punto de fusión, estabilidad redox, solubilidad de iones y sales de litio, tasas de transferencia ion/electrón, viscosidad, etc.
Fuente: Nobel Prize
El diseño inicial de las baterías de iones de litio utilizó litio metálico como ánodo y compuestos de carbonato como electrolitos. Pero encontrar el material de cátodo adecuado fue más desafiante.
El Gran Petróleo Crea Baterías de Litio
Por sorprendente que parezca, la génesis de la batería moderna de iones de litio, que acabaría amenazando al coche con motor de combustión interna, se desarrolló en la “Gran Petróleo” Exxon Research and Engineering Company.
En la década de 1970, la idea del “pico del petróleo”, o el agotamiento de reservas, era una amenaza tomada muy en serio por las compañías petroleras. Buscando asegurar la presencia continua de la empresa en el sector energético, Exxon contrató a algunos de los mejores científicos del campo. Les otorgó generosos presupuestos de investigación combinados con la rara libertad de perseguir independientemente la idea que consideraran más prometedora.
Entre ellos estaba Stanley Whittingham, un investigador de la Universidad de Stanford que se especializó en “intercalación”. La intercalación es el fenómeno donde los huecos del tamaño de átomos en un material pueden unirse a iones.
La intercalación sería el material ideal para construir un cátodo para baterías de iones de litio, reteniendo iones de litio en los huecos.
Esto, sin embargo, requirió mucha investigación, ya que el cátodo también debía cumplir una larga lista de especificaciones:
- No disolverse en el electrolito.
- No intercalarse con el electrolito.
- La intercalación debe ser reversible.
- Cambios estructurales mínimos al cargar y descargar.
- Poder operar a temperatura y presión ambiente.
Whittingham finalmente se decidió por el disulfuro de titanio (TiS2), después de considerar el disulfuro de tántalo, pero se inclinó por el titanio debido al peso elevado del tántalo.
Fuente: Nobel Prize
Para mejorar el rendimiento, encontraron un método de usar polvo de TiS2 mezclado con teflón y adherido a un soporte de acero, rodeado por una película de polipropileno y litio metálico.
El Problema de los Dendritas
Un problema seguía afectando a la potencial batería de iones de litio. Tras muchos ciclos de carga‑descarga, una estructura similar a un árbol llamada dendrita se formaba a partir del litio.
Fuente: Nobel Prize
Al romper el aislante que separa los 2 segmentos de la batería, las dendritas crearían un atajo. Este problema detuvo el desarrollo de una batería comercial de iones de litio en sus pistas.
Cuando alcanzaron el otro electrodo, la batería se cortocircuitó, lo que podría provocar una explosión.
Los bomberos tuvieron que apagar varios incendios y finalmente amenazaron con hacer que el laboratorio pagara los químicos especiales usados para extinguir incendios de litio.
Las dendritas se hicieron más manejables añadiendo aluminio al ánodo de litio, creando la primera batería comercial de iones de litio, usada en relojes en 1976.
Paralelamente, los precios del petróleo que se habían disparado durante la estanflación de los años 70 volvieron a bajar. También se descubrieron nuevos yacimientos, reduciendo el temor al pico del petróleo. Esto 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 empresas.
Mejor Material de Cátodo
Donde Stanley Whittingham creó un cátodo viable, el siguiente receptor del Premio Nobel, John Goodenough, mejoró su potencial eléctrico, impulsando el rendimiento de la batería.
Goodenough, físico y matemático, había contribuido previamente a la invención de la memoria de acceso aleatorio (RAM) en el MIT. Luego se trasladó a la Universidad de Oxford para investigar sistemas energéticos, y baterías en particular.
Al estudiar las recién inventadas baterías de iones de litio, se dio cuenta de que el óxido metálico podría funcionar aún mejor que el sulfuro metálico de Whittingham. Tras una búsqueda sistemática, descubrió que el diseño de óxido de litio‑cobalto tenía el doble de potencial eléctrico que el diseño anterior, a 4 V, y publicó su hallazgo en 1980.
Fuente: Nobel Prize
Este diseño basado en cobalto se mantuvo como la característica dominante de las baterías de iones de litio hasta la última década, cuando comenzaron a aparecer químicas alternativas sin cobalto para baterías de litio. Un proceso aún en curso, como discutimos en nuestro artículo “Diseñando una Mejor Batería – ¡Fuera el Cobalto y Dentro…TAQ?”.
Un Nuevo Hogar para la Investigación del Litio
En los países occidentales, la dramática caída de los precios del petróleo en los años 80 redujo la demanda de soluciones energéticas alternativas. Sin embargo, en Japón, la electrónica de consumo portátil se convirtió en una industria en auge. Necesitaba una fuente de energía cada vez mayor que también fuera duradera, ligera y lo suficientemente pequeña para caber en Walkmans, cámaras, computadoras, teléfonos inalámbricos, etc.
Akira Yoshino de Asahi Kasei Corporation se dio cuenta temprano de que las baterías eran el eslabón faltante y que la industria las necesitaría.
Las baterías de iones de litio encajaban bien en términos de densidad energética, y ahora contaban con un buen cátodo gracias al diseño basado en cobalto de Goodenough. Sin embargo, el problema del ánodo de litio‑metal y sus peligrosas dendritas persistía.
Yoshino probó baterías que contenían litio puro y observó que pruebas como dejar caer un peso pesado sobre la batería podían crear una explosión poderosa. Esto era demasiado peligroso para que baterías más grandes cumplieran con las leyes de protección al consumidor, y de todos modos sería un desastre de relaciones públicas esperando suceder.
Eliminando el Litio del Ánodo
El grafito, o carbono puro, como la punta de un lápiz, se conocía desde hace tiempo como un posible sustituto del ánodo de litio metálico, gracias a su bajo potencial eléctrico relativo a Li+/Li. El problema era que el grafito se dañaba y se desprendía en el electrolito orgánico.
La visión clave de Akira Yoshino que le valió el Premio Nobel fue usar coque de petróleo en lugar de grafito. El coque es un subproducto de la industria petrolera, y algunas calidades del producto demostraron ser estables en las condiciones requeridas para formar una batería de iones de litio.
Yoshino también midió que un ánodo de coque con los grados adecuados de cristalinidad podía 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.
Se lanzó comercialmente en 1991 por Sony y Asahi Kasei, 11 años después del descubrimiento de Goodenough y 15 años después de la primera batería comercial de iones de litio de Whittingham.
Fuente: Nobel Prize
Legado de los Iones de Litio y su Relevancia Continua
Las baterías de coque/cobalto óxido de Yoshino rápidamente se introdujeron en todos los dispositivos electrónicos del mundo moderno. Juntas, co‑evolucionaron con el progreso en computación y electrónica para crear sucesivamente laptops, reproductores mp3, smartphones, consolas portátiles y tabletas que son omnipresentes en nuestras vidas.
Los iones de litio experimentarían una nueva revolución con la aparición de los vehículos eléctricos. Inicialmente fueron impulsados por Tesla (TSLA ) y fabricantes chinos como BYD (una empresa de baterías antes de convertirse en el mayor fabricante de automóviles eléctricos del mundo, vea más sobre BYD al final del artículo).
Como solo un EV consume el volumen de batería de cientos de smartphones o computadoras, este cambio en el mercado ha provocado 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 ahora en pleno apogeo, incluso si los fabricantes tradicionales y las startups más pequeñas están luchando por hacer la transición, por ahora superados por fabricantes chinos agresivos con una ventaja inicial en la tecnología EV.
Los iones de litio también están allanando el camino para estabilizar la red eléctrica, que depende cada vez más de energías renovables intermitentes. Sin embargo, esta es una categoría donde los iones de litio podrían no ser la mejor química disponible, como discutimos en “El Futuro del Almacenamiento de Energía – Baterías a Escala de Servicios Públicos”.
Avanzando la Tecnología de Baterías
Un problema con la explosiva demanda de baterías de iones de litio por parte de los EV es que también ha provocado una explosión en la demanda de los metales que contienen.
Esto ha causado una volatilidad extrema en los precios del litio, con la industria minera de litio pasando por ciclos rápidos de sub‑ y sobreproducción.
Fuente: Carbon Credits
Otros metales, como el cobalto, podrían ser incluso más problemáticos, ya que su producción masiva está vinculada al trabajo infantil y esclavo y a otras violaciones de derechos humanos.
Por estas razones, ya en 1996, John Goodenough identificó el fosfato de hierro‑litio (LFP) como una alternativa sin cobalto (“LiFePO4: Un Nuevo Material de Cátodo para Baterías Recargables”).
LFP demostró ser una alternativa más sostenible y barata a las baterías clásicas de iones de litio, aunque con una densidad energética menor. Para 2022, las baterías LFP representaban el 31 % del mercado de baterías EV. También se usan comúnmente en almacenamiento de energía doméstico.
Otras alternativas están llegando al mercado, notablemente iones de sodio (eliminando totalmente el litio y usando en su lugar una sal más barata) y baterías de estado sólido.
Fuente: Nature
Puede 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 el Dr. Goodenough trabajó antes de su fallecimiento en 2023 con afirmaciones asombrosas como el doble de densidad energética que las baterías de iones de litio convencionales, la posibilidad de recargarse 23 000 veces y un tiempo de carga de apenas minutos.
Invertir en la Tecnología de Baterías
Las baterías de iones de litio ya han cambiado el mundo varias veces, desde permitir a las personas llevar electrónica avanzada a todas partes hasta alimentar coches únicamente con electricidad. Podrían volver a hacerlo, o bien otros tipos de baterías, al permitir una red eléctrica 100 % renovable o la electrificación de aviones cuando alcancen una densidad energética suficientemente alta.
Puede invertir en empresas relacionadas con baterías a través de muchos corredores, y aquí, en securities.io, encontrará nuestras recomendaciones de los mejores corredores en EE. UU., Canadá, Australia, Reino Unido, así como muchos otros países.
Si no le interesa seleccionar empresas específicas de baterías, también puede mirar ETFs biotecnológicos como Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT), el ETF de Lithium & Battery Tech (LIT) de Global X, o el WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF (WT ), que le proporcionarán una exposición más diversificada para capitalizar el creciente sector de baterías.
Empresas de Baterías
1. CATL (300750.SZ)
CATL es el líder global en fabricación de baterías, produciendo más de la mitad del volumen mundial de baterías.
La empresa 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 líder durante mucho tiempo.
CATL también ha anunciado avances impresionantes en varios otros tipos de baterías :
- Una batería ultra‑larga vida 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‑Litio) de 700 km que carga 400 km de autonomía en 10 minutos.
- Una batería de 500 Wh/kg, potencialmente habilitando la electrificación de aviones de pasajeros.
- Producción masiva de baterías de iones de sodio de 160 Wh/kg, con un objetivo de 200 Wh/kg.
Fuente: CATL
Más recientemente, se anunció que había resuelto esencialmente el problema de las dendritas que se forman con litio metálico como ánodo, gracias a una estructura 3D que bloquea su formación.
La compañía se está activando en el mercado de baterías a escala de servicios públicos con el anuncio de su rendimiento del sistema TENER. Es “el primer sistema de almacenamiento de energía producible en masa con cero degradación en los primeros cinco años de uso en Pekín, China”.
Enorme energía en un espacio compacto: contenedor de 20 pies con capacidad de 6,25 MWh.
Impulsado por tecnologías de vanguardia y capacidades de fabricación extremas, CATL ha resuelto los desafíos causados por los metales de litio altamente activos en baterías sin degradación, lo que ayuda eficazmente a prevenir el sobrecalentamiento causado por reacciones de oxidación.
CATL también ha invertido 3,25 mil millones en capacidades de reciclaje de baterías en China. CATL ha logrado una notable tasa de recuperación del 99,6 % para níquel, cobalto, manganeso y 91 % para litio.
Gracias a su escala, enfoque y logros en I+D, es probable que CATL esté a la vanguardia de la innovación, fabricación y reciclaje de baterías. Esto lo convierte en un socio clave para fabricantes de EV, incluidos Tesla, NIO, Ford, Stellantis, etc.
2. BYD (BYDDY)
Un retador de larga data de Tesla en el mercado de EV, BYD se ha convertido en un competidor serio no solo para Tesla sino para prácticamente todos los fabricantes de automóviles.
La empresa evolucionó desde su origen como proveedor de baterías de iones de litio para teléfonos para vender casi tantos EV como Tesla en China (el mayor mercado de EV del mundo) y ser el EV 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 se lleva a cabo mediante nuevas fábricas, como en Hungría.
Y con el lanzamiento de coches de 10 000‑12 000 $ como el Seagul, usando baterías de sodio, podría abrirse un nuevo mercado para los EV de BYD.
Aún como fabricante de baterías en su núcleo, BYD es un serio retador de CATL en el mercado de baterías LFP (fosfato de hierro‑litio), con una cuota de mercado del 41,1 % en China (comparada con el 33,9 % de CATL).
La “ola” de EV baratos producidos por BYD en los mercados europeos y estadounidenses probablemente será recibida con cierto nivel de proteccionismo (incluso por encima de los aranceles recientemente impuestos), lo que podría obstaculizar el crecimiento de BYD.
Pero al mismo tiempo, los EV chinos baratos ya son un gran éxito en el resto del mundo, que no cuenta con incumbentes importantes de fabricantes domésticos a los que proteger, incluyendo la totalidad de Sudamérica, Rusia, África, Oriente Medio y el Sudeste Asiático.
Esto representa varios miles de millones de clientes potenciales para BYD, que viven en países ansiosos por lograr un equilibrio geopolítico y mantenerse en buenos términos tanto con Occidente como con China, por lo que es poco probable que se creen barreras proteccionistas demasiado fuertes.
E incluso en la UE o EE. UU., BYD podría seguir siendo competitivo, gracias a los precios mucho más altos de los fabricantes locales de EV comparados con los precios en China, así como a la localización de la producción fuera de China para estos mercados, como, por ejemplo, en Europa del Este, México o Turquía.
