Goodenough trocou sulfeto por óxido e criou um cátodo de lítio de 4 volts em 1980

A bateria de lítio começou na crise do petróleo dos anos 1970, quando M. Stanley Whittingham, da Exxon, buscava armazenamento de energia livre de fósseis e encontrou um cátodo extremamente rico em energia no dissulfeto de titânio, cujas camadas moleculares abrigam — intercalam — íons de lítio. Combinado com um ânodo feito em parte de lítio metálico, ele fornecia pouco mais de dois volts de potencial real. Mas o lítio metálico é reativo: a bateria era, nas palavras do Comitê Nobel, explosiva demais para ser viável.

John Goodenough, então chefe de química inorgânica em Oxford, previu que um cátodo baseado em um óxido metálico, e não em um sulfeto metálico, teria potencial ainda maior. Após uma busca sistemática com Koichi Mizushima, Philip Wiseman e P. C. Jones, ele demonstrou em 1980 que o óxido de cobalto com íons de lítio intercalados podia produzir até quatro volts — abriu-se um espaço de projeto sem lítio metálico no ânodo, e o grupo depositou um pedido de patente nos EUA para a família de cátodos condutores rápidos de íons em 31 de março de 1980.

Esse cátodo tornou-se a base sobre a qual os outros dois laureados de química de 2019 construíram: em 1985, Akira Yoshino, da Asahi Kasei, o combinou com um ânodo de carbono de coque de petróleo que também podia intercalar lítio, produzindo a primeira célula de íons de lítio comercialmente viável, no mercado desde 1991. Como a química move os íons de lítio de um lado para o outro em vez de decompor os eletrodos, a bateria recarrega centenas de vezes — e hoje alimenta telefones, laptops, carros elétricos e armazenamento de energia renovável. O Comitê Nobel a chamou de fundamento de uma sociedade sem fio e livre de combustíveis fósseis.

Cátodo de óxido, não de sulfeto: quatro volts em vez de dois

A maior eletronegatividade do óxido eleva o potencial do cátodo para cerca de quatro volts, aproximadamente dobrando a densidade de energia em relação ao projeto com sulfeto, sem qualquer mudança no problema do ânodo de lítio metálico.

A estrutura de intercalação sobrevive à inserção e remoção de íons, de modo que o cátodo é recarregável em vez de consumível — a bateria cicla em vez de se degradar.

A busca sistemática de materiais foi guiada pela teoria: Goodenough previu a vantagem do óxido a partir da química cristalina primeiro, e depois testou o óxido de cobalto, em vez de fazer triagem ao acaso.

A rota de extração eletroquímica a baixa temperatura na patente permitiu composições que a síntese a alta temperatura não alcançava, transformando um problema de estabilidade em um método de fabricação.

Quando um componente falha, questione a classe de material, não a peça. Os incêndios foram atribuídos ao lítio metálico, mas o problema real estava na química do cátodo — mude isso e o conceito sobrevive.

A célula de ânodo de carbono de Yoshino, de 1985, baseou-se diretamente no cátodo de Goodenough e chegou ao mercado em 1991; as baterias de íons de lítio passaram a alimentar a eletrônica portátil global, viabilizar carros elétricos de longa autonomia e armazenar energia solar e eólica. O prêmio de química de 2019 foi concedido conjuntamente a Goodenough, Whittingham e Yoshino pelo fundamento — um Nobel raro por uma substituição de material que dobrou uma voltagem.