Inventatorii bateriei Li-Ion

Un american născut în Anglia, un dislexic german mutat în SUA și un japonez au contribuit timp de 15 ani la dezvoltarea primei baterii Li-Ion.

În 1799, fizicianul și chimistul italian Alessandro Volta a publicat o serie de experimente despre pila voltaică, un dispozitiv care utiliza cupru, zinc și apa sărată pentru a transforma energia chimică în energie electrică. Cu alte cuvinte, Volta a prezentat în 1799 prima baterie din lume. 

În principiu, lucrurile sunt simple: o baterie este alcătuită dintr-un anod (partea pozitivă), un catod (partea negativă), un electrolit și un separator. În urma unor reacții chimice, ionii migrează de la anod spre catod prin electrolit, în timp ce electronii sunt forțați să iasă din baterie și să muncească: să aprindă un bec, să alimenteze ecranul unui smartphone sau să asigure funcționarea motorului unei mașini electrice. 

După o descărcare completă, bateria lui Volta devenea însă un dispozitiv complet inutil. Cercetătorii vremii au căutat o metodă care să permită migrația în sens invers a ionilor, adică de la catod către anod, pentru a reîncărca astfel bateria cu energie electrică și pentru a o folosi din nou. Și a fost nevoie de încă 60 de ani pentru ca fizicianul francez Gaston Planté să inventeze în 1859 bateria plumb-acid, prima baterie reîncărcabilă din lume. 

Sunt destul de sigur că bateria plumb-acid îți este familiară. Inițial a fost folosită pentru alimentarea telegrafelor sau a stațiilor de iluminat public, însă în prezent o găsești în orice autovehicul de pe piață și are rolul de a alimenta cu energie electrică sistemele auxiliare, de la climatizare până la sistemul de infotainment.

Primele baterii plumb-acid construite pe baza invenției lui Gaston Plante.

Așa cum sugerează și numele, bateriile plumb-acid utilizează ca materie primă plumbul, un metal ușor de procurat, cu o largă răspândire în scoarța terestră și, implicit, accesibil ca preț. Pe de altă parte, plumbul este un metal greu, cu o denstitate foarte ridicată, motiv pentru care o baterie plumb-acid pentru mașinile de serie din prezent cântărește peste 10 kilograme. 

Soluția optimă era reprezentată de o baterie care să păstreze avantajele bateriei reîncărcabile plumb-acid, dar în același timp să aibă o greutate mai mică și să se încarce mai rapid. Iar asta a durat mai bine de un secol și a necesitat o muncă de circa 15 ani de la primul prototip până la prima versiune comercială. Opera de artă a fost semnată de trei chimiști din Statele Unite și Japonia și se numește baterie Li-Ion. 

Pe silențios dar de neoprit, electrificarea a luat pe sus lumea mobilității, cu avantaje evidente: o mașină electrică nu poluează, poate fi încărcată acum cu ușurință, presupune costuri reduse de întreținere și facilități fiscale. Misiunea Enel X Way este de accelera tranziția energetică în transport și construiește infrastructura de mobilitate în toată lumea.

Descoperă aici stațiile de încărcare potrivite pentru tine și mașina ta, acasă, la birou sau în tranzit.

Un nume predestinat

John Goodenough s-a născut în 25 iulie 1922 în localitatea germană Jena, însă la scurt timp după naștere s-a mutat în Statele Unite împreună cu familia. Cu un tată agnostic și o mamă cu care nu a avut niciun fel de relație emoțională, singurii săi prieteni din copilărie au fost fratele său, cele două surori vitrege dintr-o căsătorie anterioară a tatălui său, servitoarea familiei și, mai ales, câinele familiei. 

A avut reale dificultăți să învețe să citească, motiv pentru care era considerat “înapoiat”, iar la 12 ani părinții l-au trimis la un boarding school din Massachusetts, adică la o instituție de învățământ care oferă și cazare pentru elevi.

Așa cum avea să descopere mai târziu, John Goodenough suferea de o tulburare de învățare din cauza căreia îi era dificil să citească pentru că nu putea identifica sunetele și modul în care acestea se raportează la litere și cuvinte. Cu alte cuvinte, John Goodenough era dislexic. 

De multe ori, atunci când dislexia nu este diagnosticată, persoanele care suferă de această tulburare sunt considerate lipsite de inteligență. În realitate, dislexia nu are nicio legătură cu coeficientul de inteligență, așa cum avea să descopere însuși Goodenough. 

Noii săi profesori au înțeles rapid problemele cu care se confrunta adolescentul. Cu o combinație de răbdare și îndrumare din partea profesorilor și cu multă determinare din partea sa, John Goodenough a reușit să să adapteze: a învățat mai întâi matematica prin cele 10 cifre ale sale, pentru că acestea sunt mai simple și mai ușor de înțeles decât cele 26 litere ale alfabetului american. În paralel, a studiat latina și greaca, ceea ce i-a permis să-și dezvolte mai rapid vocabularul pentru ca ulterior să înțeleagă mai ușor cuvintele și să învețe mai ușor să citească. 

Progresele au urmat exponențial: în 1940 a intrat la Facultatea de Matematică de la Universitatea Yale, în 1943 s-a oferit să lucreze voluntar ca meteorolog pentru Forțele Aeriene ale Statelor Unite în timpul celui de-al Doilea Război Mondial, iar până în 1952 și-a trecut în palmares un master și un doctorat la Universitatea din Chicago. 

A trecut și pe la celebrul MIT (Massachusetts Institute of Technology), acolo unde și-a adus primele contribuții în domeniul calculatoarelor: a dezvoltat nuclee de memorie magnetică din ceramică care au permis ulterior altor cercetători să lanseze primele module de memorie RAM pentru calculatoare. 

John Goodenough împreună cu studenții săi. Foto: Universitatea din Texas

Scânteia care a aprins pasiunea pentru baterii

La vremea respectivă, în primele decenii de după al Doilea Război Mondial, mașinile cu motoare termice utilizau pentru consumatorii auxiliari bateriile plumb-acid despre care am povestit la început. În schimb, dispozitivele electronice din acea perioadă foloseau de regulă baterii zinc-carbon (Zn-C) și, într-o măsură mai mică, nichel-cadmiu (Ni-Cd), care erau mai mici și mai ușoare decât bateriile plumb-acid, dar aveau un dezavantaj major: nu puteau fi reîncărcate. 

Tot în acea perioadă, Statele Unite ale Americii au început să finanțeze o serie de cercetări pentru dezvoltarea de surse de energie regenerabilă, iar constructori auto precum General Motors, Ford sau Chrysler erau implicați în diverse proiecte de dezvoltare pentru mașini electrice, prin care dependența de carburanții fosili să fie redusă. 

În 1966, Ford a organizat o conferință științifică la care a invitat specialiști din fizică și chimie, iar printre ei s-a numărat și John Goodenough, pe baza cercetărilor sale de la MIT. Scopul conferinței a fost prezentarea unei inovații importante care avea potențialul de a oferi o șansă pentru mașinile electrice: o baterie bazată pe sodiu și sulf. 

Bateria respectivă utiliza un anod din sodiu topit, un catod din sulf topit și un electrolit ceramic solid. Noul acumulator era mai ușor și avea o densitate de energie de 15 ori mai mare decât o baterie clasică plumb-acid, iar inginerii au calculat că ar permite o autonomie de 132 de kilometri pentru o mașină electrică. Pare puțin în contextul de astăzi, dar gândește-te că Nissan Leaf, unul dintre primele modele electrice cu succes comercial, avea la prima generație din 2010 o baterie cu autonomie de 117 kilometri pe baza standardului american EPA. 

Bateria bazată pe sodiu și sulf nu a ajuns niciodată pe o mașină electrică de serie din motive de siguranță, întrucât catodul și anodul necesitau temperaturi de operare de 300 de grade Celsius. Totuși, bateria respectivă a avut un rol important în istorie: i-a aprins lui John Goodenough pasiunea pentru chimia bateriilor, astfel că în 1976 a fost invitat să conducă laboratorul de chimie anorganică al Universității din Oxford.

Patentul obținut de Ford pentru bateria cu sodiu topit și sulf topit din 1966.

Primul prototip de baterie Li-Ion

Cu câțiva ani înainte de sosirea lui Goodenough la Oxford, chimistul britanic Stanley Whittingham născut în 1941 a finalizat acolo studiile de master (1967) și doctorat (1968). Cei doi nu s-au intersectat la Oxford, întrucât Whittingham s-a angajat ulterior la Exxon, o companie petrolieră care a fost fondată în 1866 și care în 1999 a fuzionat cu Mobil și și-a schimbat numele în ceea ce cunoaștem astăzi drept ExxonMobil. 

În ciuda faptului că Exxon activa în domeniul petrolier, Whittingham a lucrat la un laborator de cercetare din New Jersey al companiei și, în 1976, a gândit un nou tip de baterie care ar putea fi introdusă pe o ipotetică mașina electrică. Bateria respectivă avea în componență o nouă materie primă: litiu, un metal alb-argintiu care, în condiții standard, este metalul cu cea mai mică denstitate. 

Astfel, bateria gândită de Whittingham avea un catod din disulfură de titan (TiS2) și un anod din litiu (Li). În timpul experimentelor sale cu această structură, Whittingham a descoperit accidental principiul intercalarii electrozilor. 

În termeni chimici, intercalarea electrozilor înseamnă că atunci când ionii de litiu ajung într-o structură cristalină și apoi îi îndepărtezi, structura respectivă rămâne intactă. Este ca și cum pui gem între două felii de pâine, pentru că structura feliilor de pâine nu se schimbă.

Stanley Whittingham, coinventatorul bateriei Li-Ion 
Stanley Whittingham în laboratorul său de cercetare de la Binghamton University. Foto: Binghamton University

Transferul ionilor de litiu de la anod la catod și invers asigura inclusiv posibilitatea de reîncărcare a bateriei. Și, spre deosebire de bateria bazată pe sodiu și sulf a celor de la Ford, noua baterie Li-Ion funcționa la temperatura camerei. 

Cu alte cuvinte, fără să-și dea seama la vremea respectivă, Whittingham tocmai inventase primul prototip de baterie Li-Ion, motiv pentru care este cunoscut și drept părintele fondator al bateriei Li-Ion. 

Noua baterie avea însă o problemă majoră: pe parcursul ciclurilor repetate de încărcare-descărcare, suprafața anodului de litiu suferea de coroziune. La un moment dat, coroziunea devenea atât de abundentă încât ajungea la catod și cauza scurt-circuite în urma cărora bateria putea exploda. 

Din cauza acestor probleme de siguranță, conducerea Exxon a decis la vremea respectivă să închidă proiectul bateriei Li-Ion. 

Structura primului prototip de baterie Li-Ion. Inventator: Stanley Whittingham

Îmbunătățirile aduse de John Goodenough

În scurt timp, John Goodenough a aflat despre inovația lui Whittingham și a decis să găsească o soluție la problema coroziunii. După trei ani în muncă în laboratorul său de cercetare de la Oxford, acesta a propus în 1979 două schimbări cruciale în chimia prototipului de baterie Li-Ion. 

În primul rând, pe baza cercetărilor sale anterioare de la MIT, Goodenough a înlocuit catodul din sulfură de titan cu un catod din oxizi metalici de litiu și cobalt (LiCoO2) pentru a reduce riscul de explozie. Pe de altă parte, potențialul electric de 2,5 volți era insuficient pentru ca bateria să fie stabilă în această formulă. Prin urmare, le-a trasat studenților săi de la Universitatea din Oxford misiunea de a identifica potențialul electric optim la care litiul poate fi extras din oxizii metalici, iar aceștia au efectuat diverse experiențe până au găsit răspunsul magic: 4 volți. Creșterea de la 2,5 la 4 volți a avut ca efect secundar și o creștere a densității de energie. 

Astfel, în 1980, Goodenough a definitivat compoziția chimică pentru o baterie Li-Ion reîncărcabilă și funcțională, însă interesul comercial a fost practic inexistent. Universitatea Oxford a refuzat să înregistreze un patent pentru această tehnologie sub pretextul că “nu există niciun avantaj”, iar în cele din urmă Goodenough a cedat toate drepturile pentru invenție către laboratorul britanic Atomic Energy Research Establishment cu sediul în apropiere de Oxford, cu argumentul că “în acest fel, invenția mea ar putea ajunge pe piață”

Structura versiunii de baterie Li-Ion îmbunătățită de John Goodenough

Prima versiune comercială de baterie Li-Ion

În aceeași perioadă, chimistul japonez Akira Yoshino născut în 1948 lucra pentru corporația niponă Asahi Kasei în cadrul unei echipe de cercetări experimentale. La vremea respectivă, tehnologia electronicii avansa într-un ritm rapid care permitea reducerea dimensiunilor pentru numeroase produse, însă pentru a deveni fiabile aceste produse aveau nevoie și de o baterie reîncărcabilă de dimensiuni cât mai mici. 

Akira Yoshino, inventatorul primei baterii Li-Ion produsă în serie. Foto: European Patent Office

Acesta este contextul în care Yoshino a aflat o serie de detalii despre bateria inventată de Whittingham și îmbunătățită ulterior de Goodenough, ca urmare a faptului că datele erau publice datorită patentului obținut de Atomic Energy Research Establishment. 

Chimistul japonez a plecat de la ideea lui Goodenough și a considerat că bateria Li-Ion va fi mai eficientă prin utilizarea unei compoziții diferite pentru anod. Astfel, în 1983, Yoshino a schimbat formula chimică a bateriei: litiu și cobalt pentru catod și polietilenă pentru anod. Polietilena este un material plastic obținut prin polimerizarea etilenei, care la rândul ei este un gaz compus din carbon și hidrogen folosit inclusiv în industria petrolieră.

Nici polietilena nu a fost insa ideala din cauza densitatii scazute, astfel ca cercetatorii de la Asahi Kasei au identificat o solutie alternativa: un nou material din carbon cu o structura cristalina distinctiva cunoscuta sub numele de Vapor-phase Grown Carbon Fiber (VGCF).

Structura primei baterii Li-Ion produsă în serie. Inventator: Akira Yoshino

În 1987, Yoshino a obținut un patent pentru această versiune de baterie Li-Ion, iar noua tehnologie a stârnit imediat interesul celor de la Sony. Mai exact, primele baterii Li-Ion comerciale au fost produse în 1991 de Sony Energytec, o subsidiară a grupului japonez Sony, și aveau o capacitate de 800 mAh. 

Primele dispozitive electronice care au utilizat noua baterie au fost camerele video, iar lansarea comercială a primelor dispozitive cu baterii Li-Ion a generat brusc un interes major din partea rivalilor Sony din întreaga lume. Într-un interval de timp relativ scurt au apărut numeroase alte dispozitive electronice cu baterii Li-Ion, iar mulți acumulatori au fost produși inclusiv de corporația la care lucra Yoshino, Asashi Kasei.

Pe parcursul timpului, bateria Li-Ion inventată de Stanley Whittingham, John Goodenough și Akira Yoshino a suferit numeroase modificări, întrucât producătorii au căutat diverse soluții prin care să elimine unele materii prime dificil de procuparat sau scumpe. 

În mai puțin de trei decenii de la lansarea comercială, bateriile Li-Ion au ajuns în aproape orice dispozitiv electronic, de la telefoane până la laptopuri, și joacă un rol esențial în tranziția industriei auto de la mașinile cu motoare termice la mașinile electrice. 

Cei trei inventatori, John Goodenough, Stanley Whittingham și Akira Yoshino, au primit în 2019 Premiul Nobel pentru Chimie din partea Academiei Regale de Științe din Suedia pentru “dezvoltarea bateriilor Li-Ion”. Aceasta a fost practic prima recunoaștere publică a meritelor celor trei cercetători. Cei trei au împărțit în mod egal un premiu în valoare de 9 milioane de coroane suedeze, care la vremea respectivă reprezentau echivalentul a circa 850.000 de euro. Astfel, pentru o invenție care a schimbat lumea, fiecare dintre ei a primit echivalentul a mai puțin de 300.000 de euro, și asta la 28 de ani de la lansarea pe piață a primei baterii Li-Ion.

John Goodenough, Stanley Whittingham și Akira Yoshino, cei trei inventatori ai bateriei Li-Ion. Foto: Nobel Media

În prezent, Stanley Whittingham are 81 de ani și este profesor de chimie și directorul a două institute de cercetare de la Universitatea de Stat din New York. 

Sperăm că descoperirea noastră ne va permite să lucrăm împreună pentru a construi un mediu mai curat, pentru a face planeta mai sustenabilă și pentru a atenua încălzirea globală, pentru a lăsa o moștenire mai curată copiilor și nepoților noștri. 

Stanley Whittingham, coinventatorul bateriei Li-Ion, în discursul rostit cu ocazia primirii premiului Nobel pentru Chimie în 2019. 

Între timp, Akira Yoshino are 75 de ani și continuă să predea chimie la Universitatea Meijo din Nagoya.

Sfatul meu pentru tineri este să fie curioși și să-și folosească energia pentru a dezvolta abilitați, încredere și cunoștințe pentru a face noi descoperiri care vor marca acest secol. Nu cred în forțarea copiilor să învețe. Trebuie să le permitem să gândească singuri și să-și decidă propriul drum în viață. 

Akira Yoshino, coinventatorul bateriei Li-Ion, într-un interviu acordat pentru Wipo Magazine în 2020. 

John Goodenough a încetat din viață în 25 iunie 2023, la vârsta de 100 de ani. După contribuția la bateria Li-Ion a continuat să predea chimie la Universitatea din Texas până la vârsta de 97 de ani, iar pe parcursul carierei a scris 8 cărți și a publicat peste 800 de articole științifice. 

În ultimii ani petrecuți la Universitatea din Texas a încercat să găsească o soluție eficientă pentru îmbunătățirea radicală a sistemelor de stocare pentru energia electrică generată de turbinele eoliene și sistemele de panouri fotovoltaice. Principala sa ipoteză a fost că soluția optimă este o baterie care folosește doar litiu sau doar sodiu pentru anod, însă nu a reușit să dezvolte un prototip stabil. 

Avem nevoie de o super-baterie de stocare. Altfel, fie vom avea războaie pentru ultimele rezerve de energie electrică, fie vom avea o încălzire globală mult peste ceea ce putem suporta ca oameni. Vreau să rezolv această problemă înainte să plec. Am doar 92 de ani, încă mai am timp.

John Goodenough, coinventatorul bateriei Li-Ion, într-un interviu acordat publicației Quartz în 2014. 

John Goodenough nu a mai avut timp. Poate că altcineva va avea. Până nu va fi prea târziu.