Goodenough cambió el sulfuro por óxido e hizo un cátodo de litio de 4 voltios en 1980

La batería de litio comenzó en la crisis del petróleo de los años setenta, cuando M. Stanley Whittingham, de Exxon, buscaba almacenamiento de energía libre de fósiles y encontró un cátodo extremadamente rico en energía en el disulfuro de titanio, cuyas capas moleculares alojan —intercalan— iones de litio. Emparejado con un ánodo hecho en parte de litio metálico, entregaba algo más de dos voltios de potencial real. Pero el litio metálico es reactivo: la batería era, en palabras del Comité Nobel, demasiado explosiva para ser viable.

John Goodenough, entonces jefe de química inorgánica en Oxford, predijo que un cátodo construido sobre un óxido metálico en lugar de un sulfuro metálico tendría un potencial aún mayor. Tras una búsqueda sistemática con Koichi Mizushima, Philip Wiseman y P. C. Jones, demostró en 1980 que el óxido de cobalto con iones de litio intercalados podía producir hasta cuatro voltios —se abrió un espacio de diseño sin ánodo de litio metálico, y el grupo solicitó una patente estadounidense para la familia de cátodos de conductor rápido de iones el 31 de marzo de 1980.

Ese cátodo se convirtió en la base sobre la que construyeron los otros dos laureados de química de 2019: en 1985 Akira Yoshino, en Asahi Kasei, lo emparejó con un ánodo de carbono de coque de petróleo que también podía intercalar litio, produciendo la primera celda de ion-litio comercialmente viable, en el mercado desde 1991. Como la química mueve los iones de litio de un lado a otro en lugar de descomponer los electrodos, la batería se carga cientos de veces —y ahora alimenta teléfonos, portátiles, coches eléctricos y almacenamiento de energía renovable. El Comité Nobel la llamó la base de una sociedad inalámbrica y libre de combustibles fósiles.

Cátodo de óxido, no de sulfuro: cuatro voltios en lugar de dos

La mayor electronegatividad del óxido eleva el potencial del cátodo a unos cuatro voltios, aproximadamente duplicando la densidad de energía respecto al diseño de sulfuro sin ningún cambio en el problema del ánodo de litio metálico.

La estructura de intercalación sobrevive a la inserción y extracción de iones, por lo que el cátodo es recargable en lugar de consumible —la batería cicla en lugar de degradarse.

La búsqueda sistemática de materiales estuvo guiada por la teoría: Goodenough predijo primero la ventaja del óxido a partir de la química cristalina y luego probó el óxido de cobalto, en lugar de cribar al azar.

La ruta de extracción electroquímica a baja temperatura de la patente permitió obtener composiciones que la síntesis a alta temperatura no podía alcanzar, convirtiendo un problema de estabilidad en un método de fabricación.

Cuando falla un componente, cuestiona la clase de material, no la pieza. Los incendios se atribuyeron al litio metálico, pero el verdadero problema residía en la química del cátodo: cámbiala y el concepto sobrevive.

La celda de ánodo de carbono de Yoshino de 1985 se basó directamente en el cátodo de Goodenough y llegó al mercado en 1991; las baterías de ion-litio pasaron a alimentar la electrónica portátil global, permitir coches eléctricos de larga autonomía y almacenar energía solar y eólica. El premio de química de 2019 se otorgó conjuntamente a Goodenough, Whittingham y Yoshino por la base —un Nobel poco frecuente por una sustitución de materiales que duplicó un voltaje.