Der Chemie-Nobelpreis für das Jahr 2019 geht gleich an drei Forscher. Sie haben sich mit der Entwicklung der Lithiumionen-Batterie beschäftigt, also jenen leistungsstarken „Powerpacks“, die heute jeder in seinem Handy, Laptop oder anderen elektronischen Gadgets mit sich herumträgt. Es war der US-Wissenschaftler Stanley Whittingham, der die erste Lithium-Batterie entwickelt hat, sein Kollege John B. Goodenough* optimierte deren Kathode und der japanische Wissenschaftler Akira Yoshino ersetzte an der Anode metallisches Lithium durch Lithiumionen.
Schon im Jahre 1991 wurden mobile Geräte erstmalig mit Lithiumionen-Akkus ausgerüstet. Heute versorgen sie nicht nur Handys, Notebooks oder Kameras mit elektrischer Energie, sondern vor allem auch Elektroautos und die Elektronik im Flugzeug. Ihre Vorteile sind unter anderem ihr relativ geringes Gewicht bei hoher Energiedichte und die Fähigkeit, besonders viele Ladezyklen unbeschadet zu überstehen.
Alles zusammen hat die Königlich Schwedische Wissenschaftsakademie davon überzeugt, den mit 830.000 Euro dotierten Chemie-Nobelpreis 2019 an Akira Yoshino, John B. Goodenough und M. Stanley Whittingham zu verleihen, um diese drei Wissenschaftler damit für die Entwicklung der Lithium-Ionen-Batterie auszuzeichnen. Die Verleihung des bedeutendsten und bekanntesten Preises der Welt findet am 10. Dezember in Stockholm statt.
Das Nobelpreiskomitee begründet seine Entscheidung unter anderem damit, dass die drei Preisträger durch ihre Arbeiten Bedingungen für eine kabellose Gesellschaft, die sich endlich von fossilen Energieträgern befreien kann, ermöglicht haben. Lithiumionen-Batterien sind in der Lage, große Mengen an Wind- und Solarenergie zu speichern. Damit haben die Wissenschaftler den meisten Menschen einen großen Dienst erwiesen.
Wie es alles begann
Obwohl sich auch Lithium schon innerhalb der ersten Minuten nach dem Urknall gebildet hat, wurde das Element erst im Jahre 1817 erstmalig isoliert, und zwar von den schwedischen Chemikern Jöns Jacob Berzelius und Johan August Arfwedson. Berzelius gab dem Element einen Namen, der an die griechische Bezeichnung für Stein – lithos – angelehnt ist. Allerdings handelt es sich bei Lithium um ein Leichtmetall mit einer besonders geringen Dichte. Dafür ist Lithium chemisch außerordentlich reaktionsfreudig, was auch erklärt, dass dieses Metall nirgends in gediegener Form vorkommt.
Lithium neigt sehr stark dazu, sein einsames äußeres Elektron abzugeben. Bereits Anfang der 1970er Jahre nutzte Stanley Whittingham diesen Effekt für eine erste funktionsfähige Lithiumbatterie aus. 1980 gelang es John B. Goodenough, das Potenzial mit nur wenig Aufwand nahezu zu verdoppeln. Weitere fünf Jahre später brachte Akira Yoshino die Batterie zur Marktreife, indem er das atomare Lithium durch Lithium-Ionen ersetzte.
Whittinghams erste Lithiumbatterie
Stanley Whittingham arbeitete zu Beginn der 1970er Jahre beim Ölkonzern Exxon. Dann war da plötzlich die Ölkrise und viele sahen die Notwendigkeit, dass die Fahrzeuge mittel- und langfristig auf Elektroantrieb umgestellt werden müssen. Doch Materialien für geeignete Batterien waren noch nicht in Sicht. So motiviert experimentierte Whittingham mit Tantaldisulfid, das in Kombination mit Kaliumionen eine ansehnliche Spannung aufbaut.
Seine Kathode bestand also aus Tantaldisulfid und als reaktionsfreudigen Elektronenspender wählte er für die Anode das Alkalimetall Lithium aus. Das Ergebnis war eine Batterie, die 2 Volt Spannung lieferte und wieder aufladbar war. Und tatsächlich begann nun Exxon, solche Lithiumbatterien in überschaubaren Stückzahlen zu produzieren. Ein Schweizer Uhrenhersteller befand sich unter den Abnehmern. Doch mit dem Ende der Ölkrise verflüchtigten sich auch schon wieder alle guten Vorsätze, die Autos konnten wieder unbegrenzt betankt werden und der Gedanke an elektrische Antriebe rückte in weite Ferne.
Metalloxid ist Goodenough
John B. Goodenough wurde 1922 in Jena geboren und ist nun mit 97 Jahren der älteste Nobelpreisträger überhaupt. Als er an der University of Oxford auf dem Gebiet der Feststoffe tätig war, nahm er sich Whittinghams Batterie vor. Er entfernte die Tantadisulfid-Kathode und verwendete stattdessen eine Lithium-Kobaltoxid-Elektrode, weil er wusste, dass Metalloxide generell über eine etwas höhere Energiedichte verfügen.
Das beeindruckende Ergebnis war, dass sein Akku nun gleich 4 Volt Spannung lieferte. Doch auch 1980 war die Menschheit noch nicht so weit, vom Verbrennungsmotor auf den Elektromotor umzusteigen. Zwar glaubten einige Wissenschaftler ganz vereinzelt schon, einen Klimawandel zu sehen, aber der Mainstream zweifelte dies damals noch vehement an. Die Interessen der Ölindustrie überwogen jegliche Vernunft.
Mit Yoshino kam schließlich der Lithiumionen-Akku
Akira Yoshino war Mitte der 1980er Jahre bei der Asahi Kasei Corporation in Tokio tätig. Das berechtigte Interesse an einer zuverlässigen mobilen Stromversorgung ging von führenden Herstellern von Telefonen, Videokameras und Computern aus. Yoshino erinnerte sich an die Lithium-Kobaltoxid-Batterie von Goodenough, wünschte sich aber eine noch leistungsfähigere Anode. Überdies neigten die metallischen Lithium-Elektroden dazu, sich zu verändern, was oft genug zu gefährlichen Kurzschlüssen führte und Brände auslöste.
Yoshino verwendete daher als Anode Petrolkoks, das mit Lithiumionen versetzt wurde. Die Kathode beließ er bei Lithium-Kobaltoxid und er verwendete einen lithiumhaltigen Elektrolyten. Dies war die Geburtsstunde der Lithiumionen-Batterie. Sein neuartiger Akku lieferte ebenfalls 4 Volt Spannung, konnte aber mit der erstaunlichen Energiedichte von 80 Wattstunden pro Kilogramm aufwarten. Dieser Akku erwies sich zudem als wesentlich sicherer, da ja auf das hoch reaktive metallische Lithium verzichtet wurde.
Auf ein Nachwort
Aber auch die Lithiumionen-Batterie stößt an ihre Grenzen. Bei genügend vielen Ladezyklen verliert sie arg an Leistung beziehungsweise Ladekapazität. Und bei Überhitzung kommt es immer mal wieder zur Explosion. So ist die Lithiumionen-Batterie ganz sicher noch nicht das Ende der Fahnenstange bei den involvierten Forschungseinrichtungen.
*Man beachte die „Übersetzung“ des klangvollen Namens: „John, sei gut genug“.