El litio es un metal alcalino de color gris plata y muy blando. Como los otros metales alcalinos, es muy reactivo, oxidándose fácilmente en presencia de agua o aire y llegando a arder con facilidad. La presencia de litio en pequeñas cantidades se revela dando lugar a llamas con un característico tono carmesí, pero en cantidades mayores combustiona violentamente en llamas blancas muy brillantes. Como medida de protección, el litio metálico debe almacenarse sumergido en aceite mineral.
Su número atómico es tan solo 3, lo que hace que sea el metal (y el elemento sólido en general) más ligero existente, con una densidad de 0,534 g cm–3, es decir, aproximadamente la mitad de la del agua líquida. El litio no se encuentra en la naturaleza en estado libre, algo esperable dada su gran reactividad, sino que se halla en algunos silicatos minerales como la lepidolita o la petalita. Gracias al ensayo de la llama antes mencionado se detectó su presencia en estos minerales a principios del siglo XIX pero no se aisló hasta que se descubrió la electrolisis años más tarde. No obstante, resulta muy costoso obtener el litio de sus menas minerales y desde la década de 1990 se obtiene principalmente de algunos depósitos de sales de Sudamérica como el salar de Uyuni (Bolivia), el salar de Atacama (Chile) o el salar del Hombre Muerto (Argentina). Hay depósitos de agua salada donde, junto con la sal más común, el cloruro de sodio o halita, pueden encontrarse cantidades significativas de cloruro de litio con contenidos totales de litio de hasta el 0,15%. Una vez concentrado el cloruro de litio, puede extraerse el litio metálico mediante un proceso electrolítico sobre la mezcla de sales fundidas.
El litio tiene usos bien establecidos en la industria actual. Se emplea en la fabricación de vidrios, ya que incrementa la durabilidad de este material, en aplicaciones nucleares, en la producción de algunos compuestos de interés en síntesis orgánica o como tratamiento para ciertas enfermedades mentales. Finamente, dada su extrema ligereza, la industria aeroespacial ha invertido mucho esfuerzo en usarlo en distintas aleaciones con el fin de reducir el peso de las aeronaves. Si bien es cierto que existen varias aleaciones comerciales que incluyen litio, son costosas y no se han impuesto como una alternativa viable.
Pero, sin duda alguna, la aplicación del litio más relevante en la actualidad es la de las baterías de ion litio que se emplean en todo tipo de dispositivos electrónicos portátiles como teléfonos, tabletas, ordenadores, altavoces inalámbricos, etc. Casi todo el mundo porta diariamente una o varias de estas baterías en casi todo momento, ya que gracias a ellas es posible que los dispositivos antes mencionados puedan trabajar de forma autónoma durante horas y puedan recargarse hasta miles de veces. Esta aplicación ha hecho que el precio del litio se haya multiplicado mucho en los últimos años y su producción se haya convertido en estratégica en el contexto internacional.
El desarrollo de las baterías de ion litio ha sido un proceso largo en el que han intervenido muchas personas, desde las primeras propuestas teóricas, pasando por el desarrollo de la primera batería comercia en 1991 por la empresa Sony, hasta su comercialización a gran escala. En 2019 el Premio Nobel de Química fue destinado a John Goodenough, Stanley Whittingham y Akira Yoshino como máximos representantes del desarrollo de las baterías de ion litio.
Antes de entrar a explicar qué es lo que hace tan peculiares y eficientes a estas baterías es necesario introducir algunos conceptos básicos. Una pila, como la que se ilustra en la figura 2.17, es un dispositivo capaz de obtener energía eléctrica a partir de reacciones químicas de oxidación-reducción, por lo que consta de dos electrodos: un ánodo, donde tiene lugar la oxidación, y un cátodo, donde ocurre la reducción. Una vez que se cierra el circuito eléctrico, en el caso de la figura 2.17 a través de un puente salino, transcurre de forma espontánea una reacción química de transferencia de electrones responsable de la producción de corriente eléctrica.
La diferencia entre los potenciales normales de reducción (que miden la capacidad de reducirse de una especie) y las concentraciones de las especies electroactivas determinarán qué electrodo se comporta como ánodo y cuál como cátodo, de forma equivalente a lo que ocurre en la corrosión galvánica. Hay que destacar que un mismo metal puee actuar de ánodo o de cátodo según el material del otro electrodo. Durante la reacción electroquímica, si los electrodos son metálicos, normalmente uno se va consumiendo (en el ejemplo de la figura, el electrodo de Zn), ya que va generando iones, mientras que en el otro (el de Cu) se va depositando nuevo material. La cantidades de materia afectadas cumplen las llamadas leyes de Faraday. Cuando se consume alguna de las especies intervinientes, la reacción no puede seguir transcurriendo y se deja de producir energía, o, lo que es lo mismo, en un lenguaje más cotidiano, la pila se gasta. Dependiendo de la naturaleza de los materiales que constituyan la pila, la reacción puede ser completamente irreversible, en cuyo caso habrá que desechar la pila (celdas galvánicas primarias), o habrá alguna forma de recargarla mediante la aplicación de energía eléctrica (celdas galvánicas secundarias).
Debemos recordar que las pilas son un tipo de celda electroquímica, un concepto un poco más amplio que incluye tanto a las pilas o celdas galvánicas como a las celdas electrolíticas. En estas últimas ocurre el proceso contrario, es decir, una reacción redox no espontánea que se produce cuando a la celda se le suministra energía eléctrica en forma de intensidad de corriente. En ambos casos, la reducción tiene lugar en el cátodo y la oxidación en el ánodo; lo que cambia en cada caso es el sentido del flujo de electrones, es decir, la corriente eléctrica va en sentidos opuestos. Conviene señalar también que hay diferencias entre una pila y una batería. Llamamos con este nombre a un dispositivo adaptado para su uso cotidiano debidamente encapsulado que está compuesto de varias celdas conectadas en serie o en paralelo junto con las conexiones eléctricas pertinentes y algún módulo electrónico de control.
Una vez repasados estos conceptos básicos, podemos entender qué es lo que hace tan especial a las baterías de ion litio. Dado su bajísimo número atómico, los iones de litio son muy pequeños, por lo que su movilidad es muy elevada y serían candidatos excelentes para aplicaciones electroquímicas, y esto era algo sabido por la comunidad científica. Sin embargo, había una serie de problemas técnicos que impedían aprovecharse de esta ventaja. En 1976, Whittingham, quien por entonces trabajaba para la compañía Exxon, fue uno de los primeros en proponer una pila basada únicamente en iones de litio usando disulfuro de titanio y litio metálico como electrodos[1]. Este dispositivo tenía muy difícil prosperar debido al alto precio del disulfuro de titanio y a la peligrosidad del litio metálico, que como ya hemos comentado es extremadamente reactivo. Sin embargo, la idea de usar un cátodo con estructura laminar capaz de albergar iones litio por intercalación sí sería muy útil en el diseño de las futuras baterías recargables.
Pocos años después, Goodenough y otros investigadores[2] propondrían al LiCoO2, un óxido mixto de litio y cobalto(III), como material para los cátodos. Se trata de un compuesto con estructura laminar que puede incorporar átomos de litio por intercalación, con la ventaja de que es seguro y asequible económicamente. Es más, la propuesta de este material fue todavía más relevante, ya que al poseer litio de por sí, abría la posibilidad de usar como ánodo cualquier otro material con capacidad para incorporar litio, y así eliminar el litio metálico del dispositivo, que sin duda alguna impediría su comercialización por motivos de seguridad.
Esto fue lo que permitió finalmente a Yoshino patentar una batería recargable basada exclusivamente en ion litio usando LiCoO2 como cátodo y un ánodo de carbono (también puede usarse grafito), como la que se muestra en la figura 2.18. Este dispositivo era seguro y económicamente viable, por lo que fue comercializado por la empresa Sony en 1991, siendo el precursor de las actuales baterías de ion litio. Posteriormente hubo otras mejoras, básicamente enfocadas en la obtención de cátodos más eficientes, como fueron el uso de otros óxidos mixtos con estructura de espinela, o más recientemente el uso de sulfatos y fosfatos que aumentan la eficiencia de las baterías debido al efecto inductivo de los polianiones.
Las baterías de ion litio basadas en estos materiales son extremadamente ligeras y presentan una elevada capacidad energética y resistencia a la descarga. Sufren muy poco efecto memoria y soportan un elevado número de ciclos de regeneración con un alto rendimiento. Como se pueden fabricar en tamaños pequeños y con múltiples geometrías, se han impuesto en la industria electrónica de gran consumo. No obstante, adolecen de algunas desventajas, especialmente relacionadas con su sensibilidad a las altas temperaturas, que puede provocar su deterioro o su destrucción por inflamación, llegando a haber ocurrido casos de explosión. Es por esto por lo que, para los productos de consumo cotidiano, son necesarios dispositivos adicionales de seguridad que encarecen su precio final y limitan seriamente su uso en otras aplicaciones de mayor potencia.
[1] M. S. Whittingham. Science 192 (1976) 1126-1127. https://doi.org/10.1126/science.192.4244.1126.
[2] K. Mizushima et al. Mater. Res. Bull. 15 (1989) 783-789. https://doi.org/10.1016/0025-5408(80)90012-4.
[3] X. Zhang et al. Polym. Rev. 51 (2011) 239-264. https://doi.org/10.1080/15583724.2011.593390.
Este texto pertenece al libro:
Carlos Romero Muñiz, José M.ª Gavira Vallejo: Noventa materiales de ingeniería para la enseñanza de Física y Química. Triplenlace.com, 2025. https://triplenlace.com/aula-libros/90mi/.
