La invención de las baterías recargables: Entrevista al Dr. Akira Yoshino, premio Nobel de 2019

Por Tomoki Sawai, Oficina de la OMPI en el Japón

En 2019, el Dr. Akira Yoshino, el Dr. Stanley Whittingham y el Dr. John Goodenough fueron galardonados con el premio Nobel de Química por su labor fundamental que contribuyó al desarrollo de las baterías de iones de litio: los sistemas de energía en miniatura de los que dependemos para alimentar nuestros dispositivos móviles. Estas baterías recargables ligeras han fomentado el auge de la electrónica móvil y ya están reportando beneficios medioambientales, pues gracias a ellas es posible fabricar vehículos eléctricos de largo alcance y almacenar de manera eficiente la energía procedente de fuentes renovables.

El Dr. Yoshino inventó y patentó la primera batería de iones de litio de la historia y desde entonces ha trabajado sin cesar con el fin de mejorar la tecnología. A lo largo de su carrera, ha obtenido más de 60 patentes de tecnología de baterías de iones de litio. El Dr. Yoshino habla de los obstáculos que ha superado para fabricar baterías de iones de litio y de la función que el uso estratégico de los derechos de patente ha desempeñado en la creación de un mercado mundial en auge para comercializarlas.

¿Qué le motivó a dedicarse a la química?

Siempre me ha interesado la naturaleza y, cuando estaba en la escuela primaria, uno de mis profesores me recomendó que leyera La historia química de una vela, de Michael Faraday. Ese libro despertó en mí muchas inquietudes. Hasta entonces no me había interesado por la química y así empezó todo. Luego me fui a estudiar química orgánica cuántica a la Universidad de Kioto.

¿Y cómo acabó trabajando con baterías de iones de litio?

A principios de la década de los setenta, me incorporé al Equipo de Investigación de la Asahi Kasei Corporation para explorar nuevos materiales de uso general. Los proyectos en los que trabajé en un principio no prosperaron, así que busqué una nueva via de investigación. En ese momento existía un gran interés por el poliacetileno, un polímero electroconductor fascinante para el que el Dr. Kenichi Fukui, el primer Premio Nobel de Química del Japón, había sentado las bases, y que fue desarrollado por el Dr. Hideki Shiarakawa, ganador del Premio Nobel de Química en el año 2000.

En un primer momento, exploré las aplicaciones prácticas del poliacetileno. Pero por aquel entonces en el sector de la electrónica en el Japón se buscaba una nueva batería recargable ligera y compacta para alimentar los dispositivos móviles que se estaban desarrollando. Había muchos investigadores trabajando en ello, pero los materiales del ánodo existentes eran inestables y planteaban serios problemas de seguridad; se necesitaba un nuevo material para el ánodo. Mi investigación sobre el poliacetileno sugería que este podía ser utilizado como material del ánodo (porque los cationes litio entran y salen de él), así que empecé a experimentar con él y funcionó.

Mi investigación fundamental sobre las baterías de iones de litio comenzó formalmente en 1981, año en que el profesor Fukui ganó el Premio Nobel de Química. Resulta interesante que ocho premios Nobel hayan contribuido a la investigación de las baterías de iones de litio; es algo que nos da una idea de la complejidad de su desarrollo.

En 1983 había ideado un nuevo tipo de batería recargable que utilizaba una combinación de poliacetileno para el ánodo y óxido de litio y cobalto para el cátodo. El Dr. John Goodenough, uno de mis colegas galardonados, había obtenido óxido de litio y cobalto, el primer material para el cátodo que contenía iones de litio, en 1980.

¿Cómo prosiguió su investigación después de este avance?

Todo fue bien durante un tiempo. El prototipo era una tercera parte más ligero que una batería de níquel-cadmio convencional, lo cual era bueno, pero solo pudimos disminuir ligeramente el peso y no logramos reducir el tamaño de la batería. Eso puso en duda la totalidad del proyecto, pues la miniaturización constituía una prioridad para el sector de la electrónica.

El problema radicaba en la baja densidad relativa del poliacetileno, que hacía que una batería ligera pero voluminosa fuera demasiado grande para resultar funcional. Empezamos a buscar un material de mayor densidad con propiedades similares a las del poliacetileno. La idea era utilizar un material de carbono (este tiene una densidad relativa de alrededor de 2,2 g/cm³ y está compuesto por los mismos enlaces dobles conjugados que los del poliacetileno), pero no existía ningún material de carbono adecuado, y eso no era muy alentador.

Las baterías de iones de litio han hecho posible la sociedad de la informática móvil de hoy en día. Y en el futuro desempeñarán un papel fundamental en la construcción de una sociedad sostenible.

Sin embargo, la solución provino del seno de Asahi Kasei; otro equipo de investigación había desarrollado un nuevo material de carbono con una estructura cristalina distintiva, conocido como fibra de carbono cultivada en fase de vapor (VGCF, por sus siglas en inglés), que lo convertía en un buen sustituto del poliacetileno. Me las arreglé para conseguir una muestra del material y, efectivamente, cuando lo usamos para fabricar el ánodo, creamos una batería ligera y compacta.

¿Cuándo comprendió la importancia de la miniaturización?

Como en Asahi Kasei no éramos especialistas en baterías, los debates internos sobre las necesidades del sector no nos conducían a ninguna parte. Y, obviamente, no puede uno dirigirse a un fabricante de baterías y esperar que le explique su investigación preliminar confidencial. Pero conocí a un antiguo compañero de clase del director ejecutivo de Asahi Kasei que ocupaba un cargo ejecutivo en una empresa de baterías e hizo hincapié en la importancia de la miniaturización: los fabricantes de teléfonos inteligentes necesitaban baterías que cupieran en espacios de tamaño reducido.

En mi opinión, esto pone de manifiesto la importancia de que los profesionales de diferentes ámbitos se reúnan para debatir e intercambiar ideas. Esta colaboración resulta fundamental tanto para el fomento del desarrollo tecnológico como para la amplia difusión y la adopción de nuevas tecnologías.

¿Fue beneficioso el enfoque general de Asahi Kasei Corporation en la ciencia de los materiales para el desarrollo de la batería de iones de litio?

El plan inicial era desarrollar nuevos materiales con base de poliacetileno, pero a medida que la investigación avanzaba, nos dimos cuenta de que se necesitaban muchos materiales nuevos en el sector: para cátodos, electrolitos, separadores y demás. En lugar de centrarnos en fabricar simplemente un nuevo ánodo, surgió la idea de una batería. Asahi Kasei se introdujo en el ámbito de las baterías por el simple hecho de estar investigando nuevos materiales y pudo desarrollar la batería de iones de litio precisamente porque no era un especialista en la materia.

Si hubiera trabajado como investigador para una fábrica de baterías, probablemente no habría dado con el poliacetileno o el VGCF. A fin de cuentas, los nuevos materiales y la libertad de desarrollarlos son los factores que hacen posible que se creen nuevos productos.

¿Cuál ha sido la repercusión de las baterías de iones de litio?

Las baterías de iones de litio han hecho posible la sociedad de la informática móvil de hoy en día. Y en el futuro desempeñarán un papel fundamental en la construcción de una sociedad sostenible. Una batería recargable con capacidad para almacenar electricidad resulta un dispositivo clave para resolver los problemas medioambientales. Esto adquirió un mayor reconocimiento alrededor de 2010, cuando empezaron a verse los vehículos eléctricos. Ese fue el año de lanzamiento del Nissan Leaf, lo que supuso un verdadero avance que marcó la época. De ahí en adelante, se han utilizado baterías de iones de litio para alimentar vehículos eléctricos. Desde entonces se ha avanzado mucho en el mejoramiento de la densidad de energía de las baterías de iones de litio (es decir, la distancia que se puede recorrer con una sola carga) y en la reducción de los costos. Pero todavía quedan por resolver cuestiones relativas a la durabilidad (la vida de la batería).

Aunque las baterías de iones de litio no resolverán por sí solas todos los problemas ambientales, resultarán esenciales para la creación de una sociedad sostenible si se combinan con otras innovaciones, como la inteligencia artificial (IA) y la Internet de las cosas.

Como titular de numerosas patentes, ¿cuál es su opinión sobre el sistema de patentes?

El espíritu fundamental del Derecho de patentes es fomentar el desarrollo tecnológico en beneficio de todos. A cambio de adquirir los derechos exclusivos de patente, se revela [divulga] una nueva tecnología al mundo y, por lo tanto, se contribuye a su amplia difusión. Así sucedió con las baterías de iones de litio.

En Asahi Kasei éramos buenos en el desarrollo de tecnología de baterías, pero no estábamos especializados en ellas, así que tuvimos que decidir qué tipo de negocio íbamos a crear en torno a esta tecnología. Tras mucho debate, decidimos: a) formar un equipo con un socio adecuado (Toshiba) para crear una empresa de baterías; b) incorporar otros materiales relacionados con las baterías en el negocio ya existente de Asahi Kasei; y c) llevar la iniciativa y conceder en licencia la tecnología de baterías de iones de litio.

El programa de concesión de licencias puso la tecnología de las baterías de iones de litio al alcance de muchos nuevos fabricantes, lo que permitió mejorar la tecnología en lo relativo al costo, la fiabilidad y la seguridad. También contribuyó a la difusión de la tecnología, reforzó la confianza de los consumidores y generó ingresos por concesión de licencias para la empresa. Todo el mundo pudo acceder a la tecnología de forma rápida y beneficiarse de ella. Esa es la razón de ser de las invenciones.

¿Cómo cree que debe mejorarse el sistema de propiedad intelectual?

En el mundo globalizado en el que vivimos, se ha vuelto difícil ejercer los derechos exclusivos de las patentes. Incluso pidiéndole a la gente que no imite, ¡lo hacen! Además, los derechos de patente están limitados temporalmente, por lo que es muy difícil beneficiarse de su valor económico únicamente mediante la concesión de licencias. Creo que es importante pensar en otras formas de obtener un retorno o una rentabilidad financiera. Por ejemplo, esto puede suponer el desarrollo de un modelo de negocio en torno a las baterías de iones de litio en el que se comercialice la tecnología como un servicio —en lugar de como un producto final— y se reciban pagos en las fases posteriores del proceso de producción. Este modelo es utilizado por empresas como Google, Apple, Facebook y Amazon y ofrece un mejor rendimiento. Han obtenido buenos resultados en el diseño de sus plataformas y en la creación de una norma mundial que ha ampliado el mercado de sus servicios basados en tecnología. Algunos son incluso gratuitos. Google, por ejemplo, ofrece su sistema operativo Android para teléfonos inteligentes de forma gratuita con el fin de expandir la comunidad de usuarios de Android. Aquí vemos que el valor del negocio de los teléfonos inteligentes no proviene del teléfono en sí, sino de su uso. Este modelo de negocio es habitual en el mundo de la TI, y el futuro podría perfectamente llegar a forjarse en esta línea.

¿Considera que el sistema de patentes le ayudó a ganar el Premio Nobel de Química en 2019?

Los investigadores del sector empresarial difieren de los investigadores del ámbito académico en la forma de presentar sus resultados. Los investigadores académicos publican sus resultados, mientras que el trabajo de los investigadores del sector empresarial figura en la literatura de patentes, lo que resulta difícil de entender y, hasta hace poco, no gozaba de gran consideración en los círculos académicos.

Sin embargo, en su mención, el Comité Nobel hizo referencia expresa al prototipo de la batería de iones de litio que yo había creado y patentado en 1985, por lo que parece haber sido un factor importante. Contar con el reconocimiento de una autoridad independiente también parece haber contribuido. Había ganado el Premio al Inventor Europeo de la Oficina Europea de Patentes por la obtención de la primera patente de baterías de iones de litio, y el reconocimiento de la Oficina Europea de Patentes por esa patente parece haber sido un factor de peso en las deliberaciones para la concesión del Premio.

Mi consejo a los jóvenes es: sed curiosos y emplead vuestra energía en desarrollar las habilidades, la confianza y los conocimientos para poder llevar a cabo los grandes descubrimientos y las invenciones revolucionarias que marcarán este siglo.

Por lo general, creo que los investigadores del sector empresarial se encuentran en desventaja en los Premios Nobel porque, normalmente, solo los examinadores de patentes, por los que siento un gran respeto, pueden comprender las tecnologías descritas en las solicitudes de patentes. De modo que, si los investigadores industriales quieren aspirar a un Premio Nobel, ¡necesitan haber ganado un premio importante!

¿Qué mensaje transmitiría a los jóvenes científicos?

Resulta posible asumir nuevos retos hasta cierta edad: alrededor de los 35 años. Fue a esa edad cuando las sucesivas generaciones de ganadores del Premio Nobel comenzaron sus investigaciones. Yo empecé la investigación fundamental sobre las baterías de iones de litio a los 33 años. A esa edad, uno comprende cómo funcionan una empresa y la sociedad y cuenta con la confianza y la autoridad para iniciar un nuevo proyecto y, si este fracasa, todavía dispone de tiempo para emprender algo nuevo.

Creo que el potencial del Japón para generar ganadores del Premio Nobel en el futuro dependerá de la coyuntura en la que hoy trabajan las personas de alrededor de 35 años y de que tengan la libertad de seguir sus ideas y de trabajar en una investigación que pueda propiciar un avance merecedor de un Premio Nobel.

¿Qué consejos puede dar a los jóvenes que aspiran a ser los científicos del mañana?

En la actualidad, los jóvenes pueden acceder fácilmente a cualquier información que deseen, pero muchos sienten que no existen nuevas invenciones o descubrimientos revolucionarios por llevar a cabo. Pero se equivocan: todavía quedan muchísimas cuestiones que no entendemos sobre la vida y la naturaleza y muchos tesoros por hallar.

Mi consejo a los jóvenes es: sed curiosos y emplead vuestra energía en desarrollar las habilidades, la confianza y los conocimientos para poder llevar a cabo los grandes descubrimientos y las invenciones revolucionarias que marcarán este siglo. El mundo está lleno de misterios por resolver. Invertid en vuestro futuro estudiando. Imaginad a vuestro yo de 35 años y en qué podríais estar trabajando.

En principio, no creo que se deba obligar a los niños a aprender. Necesitamos permitirles que piensen por sí mismos y que decidan su propio camino. Creo que ese es el mejor método.