Chemie-Nobelpreis: Batterien zum Nutzen der Menschheit

Aus dem Alltag sind Lithium-Ionen-Batterien nicht mehr wegzudenken: Die leichten, wiederaufladbaren und leistungsstarken Batterien finden sich in mobilen Geräten wie Smartphones oder Laptops und ermöglichen die Elektromobilität. Zudem sind sie in der Lage, Energie aus Photovoltaik oder Windkraft zu speichern. Aus diesem Grund zeichnet der Chemie-Nobelpreis in diesem Jahr drei Forscher aus, die ganz im Sinne des Stifters Alfred Nobel der Menschheit den größten Nutzen gebracht haben. Jeweils ein Drittel des Preises geht an John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham und Akira Yoshino.

Den Grundstein für Lithium-Ionen-Batterien legte der britische Forscher M. Stanley Whittingham in den frühen 1970er-Jahren während der Ölkrise. Er wechselte von der Stanford University zu Exxon, wo er supraleitende Materialien wie Tantaldisulfid untersuchte, in die sich Ionen einbauen lassen (interkalieren). Im Fokus seiner Arbeit stand die Frage, wie sich der Einbau von Ionen auf die Leitfähigkeit auswirkt. Kaliumionen beeinflussten die Leitfähigkeit stark und führten zu einer hohen Energiedichte. Als Whittingham eine Spannung von mehreren Volt messen konnte, konzentrierte er sich auf die Entwicklung einer Technologie zur Energiespeicherung. Da aber Tantal zu schwer war, ersetzte er es durch Titan und baute eine neuartige Kathode aus Titandisulfid. Für die Anode nutzte Whittingham Lithium, da es leicht Elektronen freisetzt. Damit war die erste wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterie geboren.

Allerdings war das metallische Lithium hochreaktiv und barg die Gefahr einer Explosion, woraufhin der Anode Aluminium zugesetzt wurde. Als Öl wieder günstiger wurde, gab Exxon die Forschung an den Batterien auf, und der US-amerikanische Forscher John B. Goodenough übernahm. Er wurde in Jena geboren und ist mit 97 Jahren der bislang älteste Nobelpreisträger. Goodenough sagte vorher, dass ein Metalloxid ein höheres Potenzial besitzen würde als ein Metalldisulfid. In den 1980er-Jahren zeigte er, dass Kobaltoxid mit eingelagerten Lithiumionen 4 Volt – statt wie zuvor 2 Volt – ermöglichen würde.

Im Westen ließ mit den sinkenden Ölpreisen das Interesse an der Batterieforschung nach, nicht aber in Japan, wo Elektronikfirmen auf der Suche waren nach leichten, wiederaufladbaren Batterien, die Videokameras, schnurlose Telefone oder Computer mit Energie versorgen könnten. Auf Basis von Goodenoughs Kathode stellte Akira Yoshino bei der Asahi Kasei Corporation 1985 die erste kommerziell nutzbare Batterie her. Als Anodenmaterial nutzte er ein kohlenstoffhaltiges Material, in das sich ebenfalls Lithiumionen einlagern lassen. Dies ermöglichte eine leichte, strapazierfähige Batterie, die sich hunderte Male wieder aufladen ließ. Der Vorteil der neuartigen Batterien bestand darin, dass sie nicht auf chemischen Reaktionen basieren, welche die Elektroden abbauen, sondern auf Lithiumionen, die zwischen Anode und Kathode hin- und herfließen.

Im Jahr 1991 kamen Lithium-Ionen-Batterien in Japan auf den Markt. Seitdem haben Forscher auf aller Welt andere Elemente untersucht, die Lithium-Ionen-Batterien in puncto Kapazität und Spannung übertreffen könnten – ohne Erfolg. Lithium-Ionen-Batterien haben den Grundstein für kabellose elektronische Geräte gelegt und können Elektroautos mit Strom versorgen sowie saubere Energietechnologien ermöglichen. Für ihre Beiträge zu dieser Errungenschaft werden John Goodenough, Stanley Whittingham und Akira Yoshino am 10. Dezember mit dem Chemie-Nobelpreis ausgezeichnet.

Maike Pfalz

*) Die Quelle für das Teaserbild lautet: Ill. Niklas Elmehed © Nobel Media.

Weitere Informationen

• Nobelpreis für Chemie 2019
• Wissenschaftlicher Hintergrund (PDF)
• K. Ozawa (Hrsg.), Lithium Ion Rechargeable Batteries, Wiley-VCH, 2009
• G, Zhao, Reuse and Recycling of Lithium-Ion Power Batteries, Wiley-VCH, 2017
• M. Wakihara und O. Yamamoto (Hrsg.), Lithium Ion Batteries, Wiley, 1998

Weitere Beiträge

• O. Wollersheim und A. Gutsch, Elektrisch mobil und nachhaltig, Physik Journal, Januar 2013, 21 (pdf, frei)
• Physik Journal-Dossier „Nobelpreis“
• John B. Goodenough, Author Profile, Angew. Chem. Int. Ed. 58, 26 (2019)
• A. Yoshino, The Birth of the Lithium-Ion Battery, Angew. Chem. Int. Ed. 51, 5798 (2012)