Chemie-Nobelpreis für Batterieforscher Die Väter der Superbatterie

Von Werner Ludwig 

Lange Zeit waren Batterien schwer und konnten nur wenig Energie speichern. Drei Forscher haben das mit ihrer Arbeit geändert – und der Menschheit die Lithium-Ionen-Batterie beschert. Dafür wurden sie jetzt mit dem Chemie-Nobelpreis ausgezeichnet.

Das Elektroauto ist nur eines von vielen Einsatzgebieten für leistungsfähige Lithium-Ionen-Akkus.Foto:  

Stuttgart - Der Chemienobelpreis 2019 geht an den den in Jena geborenen US-Amerikaner John Goodenough, den Briten Stanley Whittingham und den Japaner Akira Yoshino. Die drei Forscher werden für ihren „Beitrag zur Entwicklung der Lithium-Ionen-Batterie“ ausgezeichnet und teilen sich das Preisgeld in Höhe von 830 000 Euro. Wir beantworten die wichtigsten Fragen dazu.

Welche Rolle spielten Lithium-Ionen-Batterien heute?

Die leichten und leistungsfähigen Batterien sind aus unserem Alltag nicht wegzudenken. Sie stecken in Smartphones, elektrischen Gartengeräten und Elektroautos oder dienen als Speicher für Solarstrom vom eigenen Dach. Neben der hohen Energiedichte habe sie den Vorteil, dass sie sich nur sehr langsam entladen, wenn sie längere Zeit nicht genutzt werden. Mit dem Ausbau der Elektromobilität und dem wachsenden Anteil der unsteten Energiequellen Wind und Sonne wird die Bedeutung von Lithium-Ionen-Batterien weiter wachsen. Da sie wiederaufladbar sind, handelt es sich genau genommen um Akkumulatoren, doch umgangssprachlich ist meist von Batterien die Rede.

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Wie begann die Entwicklung der Lithium-Ionen-Batterie?

Bereits in den 1950er-Jahren dachten Ingenieure über Elektroautos nach, die ohne Abgase und den endlichen Rohstoff Öl fahren. Allerdings fehlten Akkus, die bei vertretbarem Gewicht genug Strom speichern. Es gab nur die heute noch genutzte Bleibatterie und die Nickel-Cadmium-Batterie. Interessanterweise war es der Ölriese Exxon, der sich in den 1970er-Jahren Gedanken über bessere wiederaufladbare Batterien machte. 1972 heuerte Stanley Whittingham bei dem Konzern an. Zuvor hatte er an der Stanford University mit Materialien gearbeitet, in die sich elektrisch geladene Teilchen (Ionen) einlagern lassen – ein entscheidender Vorgang für die Funktion einer Batterie. Als Pluspol setzte Whittingham das Metall Tantal ein, das er später durch eine leichter Titan-Schwefel-Verbindung ersetzte. Für den Minuspol nutzte er nach ersten Versuchen mit Natrium-Ionen das leichte Lithium. Damit war der Grundstein für die erste Batterie auf Lithium-Basis gelegt. 1976 wurde sie von einem Schweizer Uhrenhersteller in kleiner Stückzahl produziert – als Stromspeicher für Solaruhren. Das Interesse Exxons an der neuen Batterietechnologie ließ zu dieser Zeit allerdings bereits wieder nach – wohl auch wegen der fallenden Ölpreise.

Wie ging die Entwicklung weiter?

Auch der heute 97-jährige Physiker John Goodenough, ältester Nobelpreisempfänger aller Zeiten, wurde seinerzeit auf Whittinghams Entwicklung aufmerksam. Aufgrund seiner Erfahrungen in der Materialforschung kam Goodenough zu dem Schluss, dass sich die Leistung der Batterie mit einem anderen Material für den Pluspol deutlich steigern lassen musste. Am Ende verwendete er statt einer Titan-Schwefelverbindung Kobaltoxid als Pluspol. In Verbindung mit Lithium konnte er eine doppelt so hohe elektrische Spannung erreichen wie Whittingham. Den nächsten Schritt auf dem Weg zur Superbatterie ging Akira Yoshino, der bis heute beim japanischen Chemiekonzern Asahi Kasei arbeitet. Der Siegeszug der Unterhaltungselektronik in Japan ließ dort in den 1980er-Jahren die Nachfrage nach leichten Akkus für mobile Geräte wie Kameras und kabellose Telefone steigen. Um Leistung und Sicherheit zu verbessern – Lithium entzündet sich leicht –, nutzte Yoshino als Minuspol kein reines Lithium. Stattdessen packte er Lithium-Ionen in ein Kohlenstoffgitter aus Petrolkoks, einem Abfallprodukt der Ölindustrie. Der entscheidende Vorteil seiner Batterie: In ihr fließen die Lithium-Ionen beim Laden und Entladen zwischen den beiden Elektroden hin und her, ohne chemisch mit ihrer Umgebung zu reagieren. Das ermöglicht eine sehr hohe Zahl von Ladezyklen.

Wie funktionieren diese Akkus?

Das nach Wasserstoff und Helium drittleichteste aller Elemente eignet sich nicht nur wegen seines geringen Gewichts besonders gut für Batterien. Es kann auch sehr leicht eines seiner Elektronen abgeben. Dadurch entsteht ein positiv geladenes Lithium-Ion. Wird ein Stromverbraucher angeschlossen, fließen negativ geladene Elektronen vom Minuspol zum Pluspol und lassen auf dem Weg dorthin zum Beispiel eine Glühbirne leuchten oder treiben einen Elektromotor an. Gleichzeitig fließen im Inneren der Batterie positiv geladene Lithium-Ionen von Minus nach Plus. Beim Aufladen des Akkus läuft der Vorgang in umgekehrter Richtung ab.

Wie weit ist die Arbeit an noch besseren Batterien?

Durch die weitere Optimierung von Lithium-Ionen-Batterien erwarten Experten in den nächsten Jahren noch weitere Leistungssteigerungen. Allerdings wird der weltweite Lithiumbedarf kräftig steigen, wenn etwa Elektroautos ein Massenphänomen werden sollten. Ein erheblicher Teil des Metalls ließe sich indes durch Recycling zurückgewinnen. Als problematisch gilt zudem die Verwendung von Kobalt aus fragwürdigen Quellen in den heutigen Akkutypen. Auch deshalb arbeiten derzeit etliche Entwicklerteams mit anderen Batteriematerialien. Im Gespräch sind unter anderem Akkus auf Basis von Magnesium, Aluminium und Natrium, das bereits der frisch gebackene Preisträger Whittingham genutzt hatte.

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Welche Rolle spielt die Zusammenarbeit verschiedener Forschungsrichtungen?

Die diesjährige Preisvergabe für eine Erfindung im Grenzgebiet zwischen Physik und Chemie sei ein gutes Beispiel dafür, wie Berührungspunkte zwischen verschiedenen Disziplinen zu neuen Entwicklungen beitragen könnten, heißt es beim Nobel-Komitee. „Viele Erfindungen der Zukunft werden interdisziplinär sein.“

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