Se você estiver lendo isso em um telefone celular ou laptop, você pode agradecer aos três laureados deste ano pelo Prêmio Nobel de Química por seu trabalho com baterias de íon-lítio.

No entanto, as baterias desenvolvidas pelos britânicos, Os vencedores americanos e japoneses que tornam esses dispositivos possíveis são muito mais revolucionários do que apenas para computação e chamadas em trânsito. Os avanços alcançados pelos três também tornaram mais viável o armazenamento de energia de fontes renováveis, abrindo uma nova frente na luta contra o aquecimento global.

"Esta é uma história altamente carregada de um potencial tremendo, "disse Olof Ramstrom, do comitê do Nobel de Química.

O prêmio anunciado na quarta-feira foi para John B. Goodenough, 97, um professor de engenharia americano nascido na Alemanha na Universidade do Texas; M. Stanley Whittingham, 77, um professor de química britânico-americano na State University of New York em Binghamton; e Akira Yoshino, 71, da empresa química Asahi Kasei Corp. e da Universidade Meijo no Japão.

A honra concedida aos três cientistas é a pedra angular de uma tecnologia verdadeiramente transformadora que permeou bilhões de vidas em todo o planeta, incluindo qualquer pessoa que use telefones celulares, computadores, marcapassos, carros elétricos e além.

"O coração do telefone é a bateria recarregável. O coração do veículo elétrico é a bateria recarregável. O sucesso e o fracasso de tantas novas tecnologias dependem das baterias, "disse Alexej Jerschow, um químico da New York University, cujas pesquisas se concentram em diagnósticos de baterias de íon de lítio.

Whittingham expressou esperança de que os holofotes do Nobel possam dar um novo ímpeto aos esforços para atender às vorazes - e crescentes - demandas de energia do mundo.

"Estou muito agradecido por receber este prêmio, e honestamente tenho tantas pessoas a agradecer, Eu não sei por onde começar, "Ele disse em um comunicado divulgado por sua universidade." É minha esperança que este reconhecimento ajude a lançar uma luz muito necessária sobre o futuro energético da nação. "

Bom o bastante, que é considerado um gigante intelectual da química e da física do estado sólido, é a pessoa mais velha a ganhar um Prêmio Nobel - superando Arthur Ashkin, que tinha 96 anos quando recebeu o Nobel de física no ano passado. Goodenough ainda funciona todos os dias.

"Isso é bom - eles não fazem você se aposentar com uma certa idade no Texas. Eles permitem que você continue trabalhando, "ele disse a repórteres em Londres." Então, eu tive 33 anos extras para continuar trabalhando no Texas. "

Cada um dos três teve avanços únicos que estabeleceram cumulativamente a base para o desenvolvimento de uma bateria recarregável comercial, para substituir baterias alcalinas como as que contêm chumbo ou zinco, que teve suas origens no século XIX.

As baterias de íon-lítio - as primeiras baterias verdadeiramente portáteis e recarregáveis ​​- levaram mais de uma década para serem desenvolvidas, e baseou-se no trabalho de vários cientistas nos EUA, Japão e em todo o mundo.

O trabalho teve suas raízes na crise do petróleo na década de 1970, quando Whittingham estava trabalhando em esforços para desenvolver tecnologias de energia sem combustíveis fósseis. Ele aproveitou a enorme tendência do lítio - o metal mais leve - de doar seus elétrons para fazer uma bateria capaz de gerar pouco mais de dois volts.

Em 1980, Goodenough dobrou a capacidade da bateria para quatro volts usando óxido de cobalto no cátodo - um dos dois eletrodos, junto com o ânodo, que constituem as pontas de uma bateria.

Mas essa bateria permaneceu muito explosiva para uso comercial geral. É aí que o trabalho de Yoshino na década de 1980 entrou. Ele substituiu o coque de petróleo, um material de carbono, no ânodo da bateria. Esta etapa pavimentou o caminho para o primeiro peso leve, seguro, baterias comerciais duráveis ​​e recarregáveis ​​a serem construídas e entrarem no mercado em 1991.

"Conseguimos acesso a uma revolução técnica, "disse Sara Snogerup Linse, do comitê do Nobel de Química." Os laureados desenvolveram baterias leves com potencial alto o suficiente para serem úteis em muitas aplicações - eletrônicos verdadeiramente portáteis:telefones celulares, marcapassos, mas também carros elétricos de longa distância. "

"A capacidade de armazenar energia de fontes renováveis ​​- o sol, o vento - abre para o consumo de energia sustentável, " ela adicionou.

Falando em uma coletiva de imprensa em Tóquio, Yoshino disse que achava que poderia haver uma longa espera antes que o comitê do Nobel se voltasse para sua especialidade - mas ele estava errado. Ele deu a notícia a sua esposa, que estava tão surpreso quanto ele.

"Eu apenas falei com ela brevemente e disse, 'Eu entendi, 'e ela parecia que estava tão surpresa que seus joelhos quase cederam, " ele disse.

O trio compartilhará 9 milhões de coroas suecas (US $ 918, 000) prêmio em dinheiro. Suas medalhas de ouro e diplomas serão conferidos em Estocolmo em 10 de dezembro - o aniversário da morte do fundador do prêmio Alfred Nobel em 1896.

Na terça-feira, O canadense James Peebles ganhou o Prêmio Nobel de Física por suas descobertas teóricas em cosmologia junto com os cientistas suíços Michel Mayor e Didier Queloz, que foram homenageados por encontrar um exoplaneta - um planeta fora do nosso sistema solar - que orbita uma estrela do tipo solar.

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Os americanos William G. Kaelin Jr. e Gregg L. Semenza e o britânico Peter J. Ratcliffe ganharam o prêmio Nobel por avanços em fisiologia ou medicina na segunda-feira. Eles foram citados por suas descobertas de "como as células sentem e se adaptam à disponibilidade de oxigênio".

Dois prêmios Nobel de literatura serão anunciados na quinta-feira - um para 2018 e outro para 2019 - porque o prêmio do ano passado foi suspenso depois que um escândalo de abuso sexual abalou a Academia Sueca. O cobiçado Prêmio Nobel da Paz é sexta-feira e o prêmio de economia será anunciado na segunda-feira.

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Comunicado de imprensa:Prêmio Nobel de Química 2019

A Real Academia Sueca de Ciências decidiu conceder o Prêmio Nobel de Química 2019 a

John B. Goodenough
A Universidade do Texas em Austin, EUA

M. Stanley Whittingham
Binghamton University, Universidade Estadual de Nova York, EUA

Akira Yoshino
Asahi Kasei Corporation, Tóquio, Japão
Universidade Meijo, Nagoya, Japão

"para o desenvolvimento de baterias de íon-lítio"

Eles criaram um mundo recarregável

O Prêmio Nobel de Química 2019 recompensa o desenvolvimento da bateria de íons de lítio. Este leve, bateria recarregável e poderosa agora é usada em tudo, desde telefones celulares a laptops e veículos elétricos. Também pode armazenar quantidades significativas de energia solar e eólica, tornando possível uma sociedade livre de combustíveis fósseis.

As baterias de íon-lítio são usadas globalmente para alimentar os eletrônicos portáteis que usamos para nos comunicar, trabalhar, estude, ouvir música e buscar conhecimento. As baterias de íons de lítio também permitiram o desenvolvimento de carros elétricos de longo alcance e o armazenamento de energia de fontes renováveis, como a energia solar e eólica.

A base da bateria de íon-lítio foi lançada durante a crise do petróleo na década de 1970. Stanley Whittingham trabalhou no desenvolvimento de métodos que poderiam levar a tecnologias de energia sem combustíveis fósseis. Ele começou a pesquisar supercondutores e descobriu um material extremamente rico em energia, que ele usou para criar um cátodo inovador em uma bateria de lítio. Isso era feito de dissulfeto de titânio que, a nível molecular, tem espaços que podem abrigar - intercalar - íons de lítio.

O ânodo da bateria era parcialmente feito de lítio metálico, que tem um forte impulso para liberar elétrons. Isso resultou em uma bateria que tinha literalmente um grande potencial, pouco mais de dois volts. Contudo, o lítio metálico é reativo e a bateria era explosiva demais para ser viável.

John Goodenough previu que o cátodo teria um potencial ainda maior se fosse feito com um óxido de metal em vez de um sulfeto de metal. Depois de uma pesquisa sistemática, em 1980, ele demonstrou que o óxido de cobalto com íons de lítio intercalados pode produzir até quatro volts. Este foi um avanço importante e levaria a baterias muito mais potentes.

Com o cátodo de Goodenough como base, Akira Yoshino criou a primeira bateria de íon-lítio comercialmente viável em 1985. Em vez de usar lítio reativo no ânodo, ele usou coque de petróleo, um material de carbono que, como o óxido de cobalto do cátodo, pode intercalar íons de lítio.

O resultado foi um peso leve, bateria resistente que poderia ser carregada centenas de vezes antes que seu desempenho se deteriorasse. A vantagem das baterias de íon-lítio é que elas não são baseadas em reações químicas que quebram os eletrodos, mas sobre íons de lítio fluindo para frente e para trás entre o ânodo e o cátodo.

As baterias de íon-lítio revolucionaram nossas vidas desde que entraram no mercado em 1991. Elas estabeleceram a base de uma tecnologia sem fio, sociedade livre de combustíveis fósseis, e são do maior benefício para a humanidade.

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Formação científica popular

Eles desenvolveram a bateria mais potente do mundo

O Prêmio Nobel de Química 2019 é concedido a John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham e Akira Yoshino por suas contribuições para o desenvolvimento da bateria de íons de lítio. Essa bateria recarregável é a base da eletrônica sem fio, como telefones celulares e laptops. Também torna possível um mundo livre de combustíveis fósseis, já que é usado para tudo, desde alimentar carros elétricos até armazenar energia de fontes renováveis.

Um elemento raramente consegue desempenhar um papel central em um drama, mas a história do Prêmio Nobel de Química de 2019 tem um protagonista claro:o lítio, um elemento antigo que foi criado durante os primeiros minutos do Big Bang. A humanidade tomou conhecimento disso em 1817, quando os químicos suecos Johan August Arfwedson e Jöns Jacob Berzelius o purificaram de uma amostra mineral da Mina Utö, no arquipélago de Estocolmo.

Berzelius nomeou o novo elemento após a palavra grega para pedra, lithos. Apesar de seu nome pesado, é o elemento sólido mais leve, é por isso que quase não notamos os telefones celulares que agora carregamos.

Para ser completamente correto - os químicos suecos não encontraram lítio metálico puro, mas íons de lítio na forma de um sal. O lítio puro disparou muitos alarmes de incêndio, não menos importante na história que contaremos aqui; é um elemento instável que deve ser armazenado no óleo para que não reaja com o ar.

A fraqueza do lítio - sua reatividade - é também sua força. No início dos anos 1970, Stanley Whittingham usou o enorme impulso do lítio para liberar seu elétron externo quando desenvolveu a primeira bateria de lítio funcional. Em 1980, John Goodenough dobrou o potencial da bateria, criando as condições certas para uma bateria muito mais poderosa e útil. Em 1985, Akira Yoshino conseguiu eliminar o lítio puro da bateria, em vez disso, baseando-se totalmente em íons de lítio, que são mais seguros do que o lítio puro. Isso tornou a bateria funcional na prática. As baterias de íon-lítio trouxeram o maior benefício para a humanidade, já que possibilitaram o desenvolvimento de laptops, celulares, veículos elétricos e armazenamento de energia gerada por energia solar e eólica.

Agora vamos voltar cinquenta anos no tempo, para o início da história altamente carregada da bateria de íon de lítio.

A neblina de gasolina revitaliza a pesquisa da bateria

Em meados do século 20, o número de carros movidos a gasolina no mundo aumentou significativamente, e seus gases de escape pioraram a poluição nociva encontrada nas grandes cidades. Esse, combinado com a crescente percepção de que o petróleo é um recurso finito, soou um alarme para fabricantes de veículos e empresas de petróleo. Eles precisavam investir em veículos elétricos e fontes alternativas de energia para que seus negócios sobrevivessem.

Os veículos elétricos e as fontes alternativas de energia requerem baterias potentes que podem armazenar grandes quantidades de energia. Na verdade, havia apenas dois tipos de baterias recarregáveis ​​no mercado naquela época:a bateria de chumbo pesada que foi inventada em 1859 (e que ainda é usada como bateria de arranque em carros a gasolina) e a bateria de níquel-cádmio que foi desenvolvido na primeira metade do século XX.

Petroleiras investem em novas tecnologias

A ameaça de esgotamento do petróleo resultou em uma gigante do petróleo, Exxon, decidindo diversificar suas atividades. Em um grande investimento em pesquisa básica, eles recrutaram alguns dos principais pesquisadores da área de energia da época, dando-lhes a liberdade de fazer praticamente o que quisessem, desde que não envolvesse petróleo.

Stanley Whittingham estava entre aqueles que se mudaram para a Exxon em 1972. Ele veio da Universidade de Stanford, onde sua pesquisa incluiu materiais sólidos com espaços do tamanho de átomos nos quais íons carregados podem se anexar. Este fenômeno é denominado intercalação. As propriedades dos materiais mudam quando os íons são capturados dentro deles. Na Exxon, Stanley Whittingham e seus colegas começaram a investigar materiais supercondutores, incluindo dissulfeto de tântalo, que pode intercalar íons. Eles adicionaram íons ao dissulfeto de tântalo e estudaram como sua condutividade foi afetada.

Whittingham descobre um material extremamente denso em energia

Como tantas vezes acontece na ciência, esse experimento levou a uma descoberta inesperada e valiosa. Descobriu-se que os íons de potássio afetaram a condutividade do dissulfeto de tântalo, e quando Stanley Whittingham começou a estudar o material em detalhes, ele observou que ele tinha uma densidade de energia muito alta. As interações que surgiram entre os íons de potássio e o dissulfeto de tântalo eram surpreendentemente ricas em energia e, quando ele mediu a voltagem do material, eram alguns volts. Isso era melhor do que muitas das baterias daquela época. Stanley Whittingham percebeu rapidamente que era hora de mudar de assunto, movendo-se para o desenvolvimento de novas tecnologias que poderiam armazenar energia para os veículos elétricos do futuro. Contudo, o tântalo é um dos elementos mais pesados ​​e o mercado não precisava ser carregado com baterias mais pesadas - então ele substituiu o tântalo por titânio, um elemento que tem propriedades semelhantes, mas é muito mais leve.

Lítio no eletrodo negativo

O lítio não deveria ter um lugar de destaque nesta história? Nós vamos, é aqui que o lítio entra na narrativa - como o eletrodo negativo da bateria inovadora de Stanley Whittingham. O lítio não foi uma escolha aleatória; em uma bateria, elétrons devem fluir do eletrodo negativo - o ânodo - para o positivo - o cátodo. Portanto, o ânodo deve conter um material que facilmente libere seus elétrons e, de todos os elementos, o lítio é o que libera elétrons com mais boa vontade.

O resultado foi uma bateria recarregável de lítio que funcionava em temperatura ambiente e - literalmente - tinha um grande potencial. Stanley Whittingham viajou para a sede da Exxon em Nova York para falar sobre o projeto. A reunião durou cerca de quinze minutos, com o grupo de gerenciamento subsequentemente tomando uma decisão rápida:eles desenvolveriam uma bateria comercialmente viável usando a descoberta de Whittingham.

A bateria explode e o preço do petróleo cai

Infelizmente, o grupo que ia começar a produzir a bateria sofreu alguns contratempos. Como a nova bateria de lítio foi carregada repetidamente, finos bigodes de lítio cresceram do eletrodo de lítio. Quando eles alcançaram o outro eletrodo, a bateria entrou em curto-circuito, o que pode causar uma explosão. A brigada de incêndio teve que apagar uma série de incêndios e finalmente ameaçou fazer o laboratório pagar pelos produtos químicos especiais usados ​​para extinguir incêndios de lítio.

Para tornar a bateria mais segura, alumínio foi adicionado ao eletrodo metálico de lítio e o eletrólito entre os eletrodos foi trocado. Stanley Whittingham anunciou sua descoberta em 1976 e a bateria começou a ser produzida em pequena escala para um relojoeiro suíço que queria usá-la em relógios movidos a energia solar.

O próximo objetivo era aumentar a escala da bateria recarregável de lítio para que pudesse alimentar um carro. Contudo, o preço do petróleo caiu drasticamente no início dos anos 1980 e a Exxon precisava fazer cortes. O trabalho de desenvolvimento foi interrompido e a tecnologia de bateria de Whittingham foi licenciada para três empresas diferentes em três partes diferentes do mundo.

Contudo, isso não significa que o desenvolvimento parou. Quando a Exxon desistiu, John Goodenough assumiu.

A crise do petróleo deixa Goodenough interessado em baterias

Como uma criança, John Goodenough teve problemas significativos para aprender a ler, que foi uma das razões pelas quais ele foi atraído pela matemática e, eventualmente - após a Segunda Guerra Mundial - também pela física. Ele trabalhou por muitos anos no Laboratório Lincoln no Instituto de Tecnologia de Massachusetts, MIT. Enquanto lá, ele contribuiu para o desenvolvimento da memória de acesso aleatório (RAM), que ainda é um componente fundamental da computação.

John Goodenough, como tantas outras pessoas na década de 1970, foi afetado pela crise do petróleo e queria contribuir para o desenvolvimento de fontes alternativas de energia. Contudo, o Laboratório Lincoln foi financiado pela Força Aérea dos Estados Unidos e não permitia todos os tipos de pesquisas, então, quando lhe foi oferecido um cargo de professor de química inorgânica na Universidade de Oxford, na Grã-Bretanha, ele aproveitou a chance e entrou no importante mundo da pesquisa energética.

Altas tensões quando os íons de lítio se escondem em óxido de cobalto

John Goodenough sabia sobre a bateria revolucionária de Whittingham, mas seu conhecimento especializado do interior da matéria dizia-lhe que seu cátodo poderia ter um potencial maior se fosse construído usando um óxido de metal em vez de um sulfeto de metal. Algumas pessoas em seu grupo de pesquisa foram então incumbidas de encontrar um óxido de metal que produzisse uma alta voltagem quando intercalasse íons de lítio, mas que não entrou em colapso quando os íons foram removidos.

Essa busca sistemática teve mais sucesso do que John Goodenough ousara esperar. A bateria de Whittingham gerou mais de dois volts, mas Goodenough descobriu que a bateria com óxido de lítio-cobalto no cátodo era quase duas vezes mais poderosa, em quatro volts.

Uma chave para este sucesso foi a percepção de John Goodenough de que as baterias não precisavam ser fabricadas em seu estado carregado, como havia sido feito anteriormente. Em vez de, eles poderiam ser carregados posteriormente. Em 1980, ele publicou a descoberta deste novo, material de cátodo denso em energia que, apesar de seu baixo peso, resultou em poderoso, baterias de alta capacidade. Este foi um passo decisivo para a revolução sem fio.

Empresas japonesas querem baterias leves para novos eletrônicos

Contudo, no oeste, à medida que o petróleo ficou mais barato, o interesse empalideceu nos investimentos em tecnologia de energia alternativa e no desenvolvimento de veículos elétricos. As coisas eram diferentes no Japão; empresas de eletrônicos estavam desesperadas por produtos leves, baterias recarregáveis ​​que podem alimentar eletrônicos inovadores, como câmeras de vídeo, telefones sem fio e computadores. Uma pessoa que viu essa necessidade foi Akira Yoshino, da Asahi Kasei Corporation. Ou como ele disse:"Eu meio que farejei a direção em que as tendências estavam se movendo. Você poderia dizer que eu tinha um bom olfato."

Yoshino constrói a primeira bateria de íon-lítio comercialmente viável

Quando Akira Yoshino decidiu desenvolver uma bateria recarregável funcional, ele tinha o óxido de lítio-cobalto de Goodenough como cátodo e tentou usar vários materiais à base de carbono como ânodo. Os pesquisadores já haviam mostrado que os íons de lítio podem ser intercalados nas camadas moleculares do grafite, mas o grafite foi quebrado pelo eletrólito da bateria. O momento eureca de Akira Yoshino veio quando ele tentou usar coque de petróleo, um subproduto da indústria do petróleo. Quando ele carregou o coque de petróleo com elétrons, os íons de lítio foram atraídos para o material. Então, quando ele ligou a bateria, os elétrons e íons de lítio fluíram em direção ao óxido de cobalto no cátodo, que tem um potencial muito maior.

A bateria desenvolvida por Akira Yoshino é estável, leve, tem uma alta capacidade e produz notáveis ​​quatro volts. A maior vantagem da bateria de íons de lítio é que os íons são intercalados nos eletrodos. A maioria das outras baterias é baseada em reações químicas nas quais os eletrodos são lenta mas seguramente trocados. Quando uma bateria de íon de lítio é carregada ou usada, os íons fluem entre os eletrodos sem reagir com seus arredores. Isso significa que a bateria tem uma longa vida útil e pode ser carregada centenas de vezes antes que seu desempenho se deteriore.

Outra grande vantagem é que a bateria não contém lítio puro. Em 1986, quando Akira Yoshino estava testando a segurança da bateria, ele foi cauteloso e usou uma instalação projetada para testar dispositivos explosivos. Ele deixou cair um grande pedaço de ferro na bateria, mas nada aconteceu. Contudo, ao repetir o experimento com uma bateria que continha lítio puro, houve uma explosão violenta.

Passar nos testes de segurança foi fundamental para o futuro da bateria. Akira Yoshino diz que este foi "o momento em que nasceu a bateria de íons de lítio".

A bateria de íon-lítio - necessária para uma sociedade livre de combustíveis fósseis

Em 1991, uma grande empresa japonesa de eletrônicos começou a vender as primeiras baterias de íon-lítio, levando a uma revolução na eletrônica. Os telefones celulares encolheram, os computadores tornaram-se portáteis e os tocadores de MP3 e tablets foram desenvolvidos.

Subseqüentemente, pesquisadores de todo o mundo pesquisaram a tabela periódica em busca de baterias ainda melhores, mas ninguém ainda conseguiu inventar algo que supere a alta capacidade e voltagem da bateria de lítio. Contudo, a bateria de íon de lítio foi trocada e aprimorada; entre outras coisas, John Goodenough substituiu o óxido de cobalto por fosfato de ferro, o que torna a bateria mais amiga do ambiente.

Como quase tudo o mais, a produção de baterias de íon-lítio tem impacto sobre o meio ambiente, mas também há enormes benefícios ambientais. A bateria permitiu o desenvolvimento de tecnologias de energia mais limpas e veículos elétricos, contribuindo assim para a redução das emissões de gases de efeito estufa e particulados.

Por meio do trabalho deles, John Goodenough, Stanley Whittingham e Akira Yoshino criaram as condições certas para uma sociedade sem fio e sem combustíveis fósseis, e assim trouxe o maior benefício para a humanidade.

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