¿Quién inventó realmente el litio recargable?

Muchos dejaron caer el testigo antes de que Sony finalmente cruzara la línea de meta.

Cincuenta años después Desde el nacimiento de la batería recargable de iones de litio, es fácil ver su valor. Se utiliza en miles de millones de computadoras portátiles, teléfonos celulares, herramientas eléctricas y automóviles. Las ventas mundiales superan los 45.000 millones de dólares al año, y van camino de superar los 100.000 millones de dólares en la próxima década.

Y, sin embargo, este invento transformador tardó casi dos décadas en salir del laboratorio, y numerosas empresas en Estados Unidos, Europa y Asia consideraron la tecnología pero no reconocieron su potencial.

La primera versión, desarrollada por M. Stanley Whittingham en Exxon en 1972, no llegó muy lejos. Fue fabricado en pequeños volúmenes por Exxon, apareció en una exposición de vehículos eléctricos en Chicago en 1977 y sirvió brevemente como una batería de tipo botón. Pero luego Exxon lo abandonó.

Varios científicos de todo el mundo emprendieron el esfuerzo de investigación, pero durante unos 15 años, el éxito fue difícil de alcanzar. No fue hasta que el desarrollo llegó a la empresa adecuada en el momento adecuado que finalmente comenzó a recorrer el camino hacia la dominación mundial de las baterías.

Akira Yoshino, John Goodenough y M. Stanley Whittingham [desde la izquierda] compartieron el Premio Nobel de Química 2019. A sus 97 años, Goodenough fue el ganador de mayor edad en la historia de los premios Nobel. Jonas Ekstromer/AFP/Getty Images

A principios de la década de 1970, los científicos de Exxon predijeron que la producción mundial de petróleo alcanzaría su punto máximo en el año 2000 y luego caería en un declive constante. Se animó a los investigadores de la empresa a buscar sustitutos del petróleo, buscando cualquier tipo de energía que no involucrara petróleo.

Whittingham, un joven químico británico, se unió a la búsqueda en Exxon Research and Engineering en Nueva Jersey en el otoño de 1972. Para Navidad, había desarrollado una batería con un cátodo de disulfuro de titanio y un electrolito líquido que utilizaba iones de litio.

La batería de Whittingham no se parecía a nada que la hubiera precedido. Funcionó insertando iones en la red atómica de un material de electrodo anfitrión, un proceso llamado intercalación. El rendimiento de la batería tampoco tenía precedentes: era recargable y tenía un rendimiento energético muy alto. Hasta ese momento, la mejor batería recargable era la de níquel-cadmio, que emitía un máximo de 1,3 voltios. En contraste, la nueva química de Whittingham produjo unos sorprendentes 2,4 voltios.

En el invierno de 1973, los directivos corporativos convocaron a Whittingham a las oficinas de la empresa en la ciudad de Nueva York para comparecer ante un subcomité de la junta directiva de Exxon. “Entré y lo expliqué: 5 minutos, 10 como máximo”, me dijo Whittingham en enero de 2020. “Y en una semana dijeron que sí, querían invertir en esto”.

La batería de Whittingham, la primera batería de intercalación de litio, se desarrolló en Exxon en 1972 utilizando disulfuro de titanio para el cátodo y litio metálico para el ánodo. Johan Jarnestad/Real Academia Sueca de Ciencias

Parecía el comienzo de algo grande. Whittingham publicó un artículo en Science; Exxon comenzó a fabricar baterías de litio de tipo botón y un fabricante de relojes suizo, Ebauches, utilizó las células en un reloj de pulsera con carga solar.

Pero a finales de los años 1970, el interés de Exxon en las alternativas petroleras había decaído. Además, los ejecutivos de la empresa pensaban que era poco probable que el concepto de Whittingham tuviera un éxito generalizado. Se lavaron las manos con respecto al disulfuro de litio y titanio y otorgaron licencias de la tecnología a tres compañías de baterías: una en Asia, otra en Europa y otra en Estados Unidos.

"Entendí la razón para hacerlo", dijo Whittingham. “El mercado simplemente no iba a ser lo suficientemente grande. Nuestro invento fue demasiado pronto”.

En 1976, John Goodenough [izquierda] se unió a la Universidad de Oxford, donde dirigió el desarrollo del primer cátodo de óxido de cobalto y litio. La Universidad de Texas en Austin

Fue el primero de muchos comienzos en falso para la batería de litio recargable. John B. Goodenough, de la Universidad de Oxford, fue el siguiente científico en tomar el relevo. Goodenough estaba familiarizado con el trabajo de Whittingham, en parte porque Whittingham había obtenido su doctorado. en Oxford. Pero fue un artículo de Whittingham de 1978, “Chemistry of Intercalation Compounds: Metal Guest in Chalcogenide Hosts”, el que convenció a Goodenough de que la vanguardia de la investigación sobre baterías era el litio. [Goodenough falleció el 25 de junio a la edad de 100 años.]

Goodenough y el investigador Koichi Mizushima comenzaron a investigar baterías de intercalación de litio. En 1980, habían mejorado el diseño de Whittingham, reemplazando el disulfuro de titanio con óxido de litio y cobalto. La nueva química aumentó el voltaje de la batería en otros dos tercios, hasta 4 voltios.

Goodenough escribió a compañías de baterías en Estados Unidos, Reino Unido y Europa continental con la esperanza de encontrar un socio corporativo, recordó en sus memorias de 2008, Witness to Grace. Pero no encontró interesados.

También pidió a la Universidad de Oxford que pagara una patente, pero Oxford se negó. Como muchas universidades de la época, no se preocupaba por la propiedad intelectual, creyendo que tales asuntos se limitaban al mundo comercial.

La batería de Goodenough de 1980 reemplazó el disulfuro de titanio de Whittingham en el cátodo con óxido de litio y cobalto. Johan Jarnestad/Real Academia Sueca de Ciencias

Aún así, Goodenough tenía confianza en la química de su batería. Visitó el Establecimiento de Investigación de Energía Atómica (AERE), un laboratorio gubernamental en Harwell, a unos 20 kilómetros de Oxford. El laboratorio acordó financiar la patente, pero sólo si el científico de 59 años renunciaba a sus derechos financieros. Goodenough obedeció. El laboratorio lo patentó en 1981; Goodenough nunca vio ni un centavo de las ganancias de la batería original.

Para el laboratorio AERE, esto debería haber sido el mayor beneficio inesperado. No había realizado ninguna investigación, pero ahora poseía una patente que resultaría ser astronómicamente valiosa. Pero los gerentes del laboratorio no lo vieron venir. Lo archivaron y se olvidaron de él.

El siguiente campeón de la batería de litio recargable fue Akira Yoshino, un químico de 34 años de Asahi Chemical en Japón. Yoshino había comenzado a investigar de forma independiente el uso de un ánodo de plástico (hecho de poliacetileno electroconductor) en una batería y estaba buscando un cátodo para combinarlo. Mientras limpiaba su escritorio el último día de 1982, encontró un artículo técnico de 1980 del que Goodenough era coautor, como recordó Yoshino en su autobiografía, Las baterías de iones de litio abren la puerta al futuro, historias ocultas del inventor. El documento, que Yoshino había pedido pero que no había llegado a leer, describía un cátodo de óxido de litio y cobalto. ¿Podría funcionar con su ánodo de plástico?

Yoshino, junto con un pequeño equipo de colegas, emparejó el cátodo de Goodenough con el ánodo de plástico. También intentaron emparejar el cátodo con una variedad de otros materiales anódicos, en su mayoría hechos de diferentes tipos de carbonos. Finalmente, él y sus colegas se decidieron por un ánodo a base de carbono fabricado con coque de petróleo.

La batería de Yoshino, desarrollada en Asahi Chemical a finales de los años 1980, combinaba el cátodo de Goodenough con un ánodo de coque de petróleo. Johan Jarnestad/Real Academia Sueca de Ciencias

Esta elección del coque de petróleo resultó ser un gran paso adelante. Whittingham y Goodenough habían utilizado ánodos hechos de litio metálico, que era volátil e incluso peligroso. Al cambiar al carbono, Yoshino y sus colegas crearon una batería que era mucho más segura.

Aún así, hubo problemas. Por un lado, Asahi Chemical era una empresa química, no un fabricante de baterías. Nadie en Asahi Chemical sabía cómo construir baterías de producción a escala comercial, ni la empresa poseía el equipo de recubrimiento o bobinado necesario para fabricar baterías. Los investigadores simplemente habían construido un tosco prototipo de laboratorio.

Ingresa Isao Kuribayashi, un ejecutivo de investigación de Asahi Chemical que había formado parte del equipo que creó la batería. En su libro, Una batería sin nombre con historias no contadas, Kuribayashi contó cómo él y un colega buscaron consultores en Estados Unidos que pudieran ayudar con la fabricación de la batería. Un consultor recomendó Battery Engineering, una pequeña empresa con sede en un garaje de camiones reformado en el área de Hyde Park en Boston. La empresa estaba dirigida por un pequeño grupo de Ph.D. Científicos expertos en la construcción de baterías inusuales. Habían construido baterías para diversos usos, incluidos aviones de combate, silos de misiles y plataformas de perforación de fondo de pozo.

Nikola Marincic, que trabaja en Battery Engineering en Boston, transformó el tosco prototipo de Asahi Chemical [abajo] en celdas de preproducción. Lidija Ortloff

Así que Kuribayashi y su colega volaron a Boston en junio de 1986 y se presentaron en Battery Engineering sin previo aviso con tres frascos de lechada: uno que contenía el cátodo, otro el ánodo y el tercero el electrolito. Le pidieron al cofundador de la empresa, Nikola Marincic, que convirtiera los lodos en células cilíndricas, como las que alguien podría comprar para una linterna.

“Dijeron: 'Si quieres construir las baterías, no hagas más preguntas'”, me dijo Marincic en una entrevista de 2020. “No me dijeron quién los envió y no quise preguntar”.

Kuribayashi y su colega estipularon además que Marincic no le contara a nadie sobre su agresión. Incluso los empleados de Marincic no supieron hasta 2020 que habían participado en la construcción de las primeras células de iones de litio de preproducción del mundo.

Marincic cobró 30.000 dólares (83.000 dólares actuales) para fabricar un lote de baterías. Dos semanas después, Kuribayashi y su colega partieron hacia Japón con una caja de 200 celdas de tamaño C.

Sin embargo, incluso con las baterías funcionando en la mano, Kuribayashi aún encontró resistencia por parte de los directores de Asahi Chemical, quienes seguían temiendo mudarse a un negocio desconocido.

Kuribayashi no estaba dispuesto a darse por vencido. El 21 de enero de 1987 visitó la división de videocámaras de Sony para hacer una presentación sobre la nueva batería de Asahi Chemical. Tomó una de las celdas C y la hizo rodar sobre la mesa de la sala de conferencias hacia sus anfitriones.

Kuribayashi no dio muchos más detalles en su libro, simplemente escribió que al visitar Sony esperaba "confirmar la tecnología de la batería".

Sony, sin embargo, hizo más que “confirmarlo”. En ese momento, Sony estaba considerando desarrollar su propia batería de litio recargable, según su historia corporativa. Cuando los ejecutivos de la empresa vieron el móvil de Asahi, reconocieron su enorme valor. Como Sony era a la vez un fabricante de productos electrónicos de consumo y de baterías, su equipo directivo entendía la batería desde la perspectiva tanto del cliente como del proveedor.

Y el momento fue perfecto. Los ingenieros de Sony estaban trabajando en una nueva videocámara, que más tarde se conocería como Handycam, y ese producto necesitaba urgentemente una batería más pequeña y liviana. Para ellos, la batería que presentó Kuribayashi parecía un regalo del cielo.

John Goodenough y su coinventor, Koichi Mizushima, convencieron al Atomic Energy Research Establishment para financiar el costo de patentar su batería de óxido de cobalto y litio, pero tuvieron que renunciar a sus derechos financieros para hacerlo. OFICINA DE PATENTES Y MARCAS DE EE. UU.

Siguieron varias reuniones. A algunos científicos de Sony se les permitió entrar a los laboratorios de Asahi, y viceversa, según Kuribayashi. Al final, Sony propuso una asociación. Asahi Chemical se negó.

Aquí, la historia del viaje de la batería de iones de litio hacia la comercialización se vuelve confusa. Los investigadores de Sony continuaron trabajando en el desarrollo de baterías de litio recargables, utilizando una química que la historia corporativa de Sony afirmaría más tarde que fue creada internamente. Pero la batería de Sony utilizaba la misma química esencial que la de Asahi Chemical. El cátodo era óxido de litio y cobalto; el ánodo era coque de petróleo; el electrolito líquido contenía iones de litio.

Lo que está claro es que durante los dos años siguientes, de 1987 a 1989, los ingenieros de Sony hicieron el arduo trabajo de transformar un tosco prototipo en un producto. Dirigido por el ingeniero de baterías Yoshio Nishi, el equipo de Sony trabajó con proveedores para desarrollar aglutinantes, electrolitos, separadores y aditivos. Desarrollaron procesos internos para tratar térmicamente el ánodo y producir polvo de cátodo en grandes volúmenes. Merecen crédito por crear un verdadero producto comercial.

Sólo quedaba un paso. En 1989, uno de los ejecutivos de Sony llamó al Establecimiento de Investigación de Energía Atómica en Harwell, Inglaterra. El ejecutivo preguntó sobre una de las patentes del laboratorio que había estado acumulando polvo durante ocho años: el cátodo de Goodenough. Dijo que Sony estaba interesada en licenciar la tecnología.

Los científicos y ejecutivos del laboratorio Harwell se rascaron la cabeza. No podían imaginar por qué alguien podría estar interesado en la patente "Célula electroquímica con nuevos conductores de iones rápidos".

“No estaba claro cuál iba a ser el mercado ni qué tan grande sería”, me dijo Bill Macklin, científico de AERE en ese momento. Algunos de los científicos más veteranos incluso se preguntaron en voz alta si era apropiado que un laboratorio atómico en Inglaterra compartiera secretos con una empresa en Japón, un antiguo adversario de la Segunda Guerra Mundial. Sin embargo, finalmente se llegó a un acuerdo.

Sony presentó la batería en 1991, dándole el ahora familiar apodo de "iones de litio". Rápidamente comenzó a llegar a las videocámaras y luego a los teléfonos móviles.

Para entonces, habían pasado 19 años desde el invento de Whittingham. Múltiples entidades habían tenido la oportunidad de llevar esta tecnología hasta el final y la habían descartado.

En primer lugar, estaba Exxon, cuyos ejecutivos no habrían imaginado que las baterías de iones de litio terminarían permitiendo que los vehículos eléctricos compitieran con el petróleo a lo grande. Algunos observadores sostendrían más tarde que, al abandonar la tecnología, Exxon había conspirado para suprimir a un rival del petróleo. Pero Exxon otorgó licencias de la tecnología a otras tres empresas, y ninguna de ellas tampoco tuvo éxito.

Luego estaba la Universidad de Oxford, que se había negado a pagar por una patente.

Finalmente, estaba Asahi Chemical, cuyos ejecutivos lucharon con la decisión de ingresar al mercado de baterías. (Asahi finalmente entró en el juego en 1993, asociándose con Toshiba para fabricar baterías de iones de litio).

Sony y AERE, las entidades que más se beneficiaron económicamente de la batería, se beneficiaron de la suerte. El Establecimiento de Investigación de Energía Atómica sólo pagó honorarios legales por lo que resultó ser una patente valiosa y luego hubo que recordarle que incluso era propietario de la patente. Se desconocen los beneficios que la AERE obtuvo de su patente, pero la mayoría de los observadores coinciden en que obtuvo al menos 50 millones de dólares, y posiblemente más de 100 millones de dólares, antes de que expirara la patente.

Mientras tanto, Sony había recibido esa visita fortuita de Kuribayashi de Asahi Chemical, que puso a la empresa en el camino hacia la comercialización. Sony vendió decenas de millones de celdas y luego otorgó sublicencias de la patente AERE a más de dos docenas de otros fabricantes asiáticos de baterías, que ganaron miles de millones más. (En 2016, Sony vendió su negocio de baterías a Murata Manufacturing por 17.500 millones de yenes, aproximadamente 126 millones de dólares en la actualidad).

Ninguno de los investigadores originales (Whittingham, Goodenough y Yoshino) recibió una parte de estas ganancias. Los tres, sin embargo, compartieron el Premio Nobel de Química de 2019. Yoshio Nishi, de Sony, entonces retirado, no fue incluido en el Nobel, decisión que criticó en una rueda de prensa, según informó el periódico Mainichi Shimbun.

En retrospectiva, la historia temprana de los iones de litio parece ahora una historia de dos mundos. Había un mundo científico y un mundo empresarial, y rara vez se superponían. Químicos, físicos y científicos de materiales trabajaron en silencio, compartiendo sus triunfos en publicaciones técnicas y en conferencias con retroproyectores. Mientras tanto, el mundo comercial no buscó avances en los científicos universitarios y no logró detectar el potencial de esta nueva química de baterías, ni siquiera los avances realizados por sus propios investigadores.

Si no hubiera sido por Sony, la batería de litio recargable podría haber languidecido durante muchos años más. Es casi seguro que la empresa tuvo éxito porque sus circunstancias particulares la prepararon para comprender y apreciar el prototipo de Kuribayashi. Sony ya estaba en el negocio de las baterías, necesitaba una batería mejor para su nueva videocámara y había estado jugando con el desarrollo de su propia batería de litio recargable. Los ingenieros y gerentes de Sony sabían exactamente dónde podía ir esta pieza del rompecabezas, reconociendo lo que muchos otros habían pasado por alto. Como había dicho Louis Pasteur más de un siglo antes: “El azar favorece a la mente preparada”.

La historia de la batería de iones de litio demuestra que Pasteur tenía razón.

Este artículo aparece en la edición impresa de agosto de 2023 como “El largo y sinuoso camino de la batería de iones de litio”.