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Nobelpreis für Chemie 2019 : Der Ur-Knall in Volt

Lithiumgewinnung in Chile: In großen Becken lässt man Salzwasser verdunsten, bis das Salz übrig bleibt. Anschließend extrahiert man daraus Lithiumkarbonat. Bild: Reuters

Die Elektrifizierung der Welt ist ohne leistungsfähige Batterien kaum noch denkbar. Der diesjährige Chemie-Nobelpreis für die Entwicklung von Lithium-Ionen-Akkus an Stanley Whittingham, John Goodenough und Arika Yoshino ist deshalb nur logisch.

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          Ohne Elektrizität stünde es ziemlich düster um uns Menschen. Kein einigermaßen zivilisiertes Leben, keine Kultur, kein technischer und wissenschaftlicher Fortschritt wären ohne sie denkbar. Wir haben uns daran gewöhnt, zu jeder Zeit und an allen Orten Zugriff auf diese begehrte Energieform zu haben, sogar wenn keine Steckdose in Reichweite ist. Zu verdanken ist das vor allem der Leistungsfähigkeit moderner Batterien, die sich fast beliebig oft wiederaufladen lassen und mittlerweile in jeder Größe zu haben sind. Sie versorgen bereits alle Smartphones, Laptops und viele Haushaltsgeräte und auch immer mehr E-Bikes, E-Scooters und Elektroautos mit elektrischer Energie.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Akkus könnten eines Tages auch den aus Windkraft und Photovoltaik gewonnenen Strom speichern und so helfen, Schwankungen im Stromnetz auszugleichen. All dies wäre nicht möglich ohne die bahnbrechenden Forschungen von Stanley Wittingham, John B. Goodenough und Akira Yoshino. Die drei Chemiker werden für die Entwicklung der Lithium-Ionen-Batterie mit dem diesjährigen Chemie-Nobelpreis ausgezeichnet.

          Die zentralen Bestandteile eines Lithium-Ionen-Akkus sind – wie in jeder Batterie – die beiden Elektroden, der Elektrolyt und der Separator. Letzterer trennt die beiden Elektroden voneinander. Die positive Elektrode (Kathode) setzt Lithium-Ionen frei, die durch den Elektrolyten zur negativen Elektrode (Anode) wandern und dort eingelagert werden. Das erzeugt im externen Stromkreis einen elektrischen Strom. Durch Anlegen einer äußeren elektrischen Spannung kehrt sich der Vorgang um, und der Akku wird wieder aufgeladen.

          Widerspenstige Zähmung von Lithium

          Das Alkalimetall Lithium ist bisher Favorit in der Batterieentwicklung. Denn es ist wie kein anderes Element für den Bau eines leistungsstarken Akkus geeignet. Lithium ist zum einen das leichteste Metall, zum anderen gibt es vergleichsweise leicht sein Elektron ab. Mit Lithium-Ionen lassen sich daher die höchsten elektrischen Spannungen erreichen. Kein anderes Batteriesystem hat eine höhere Kapazität und Energiedichte und bringt mehr elektrische Leistung. Schon lange wussten die Chemiker um die bestechenden Vorteile von Lithium für den Bau wiederaufladbarer Batterien. Das Alkalimetall hat jedoch einen großen Nachteil. Es ist äußerst reaktiv, insbesondere wenn es mit Wasser in Kontakt kommt. Zudem ließ es sich trotz großer Bemühungen lange nicht in die Elektroden einlagern.

          Der Brite Stanley Whittingham sollte Anfang der siebziger Jahre schließlich als erster eine praktikable Lösung finden. Er hatte nach seiner Doktorarbeit, die er 1968 an der University of Oxford abschloss, vier Jahre an der Standford University an porösen Materialien geforscht, in die man geladene Fremdatome einbauen konnte. Mit diesem Wissen wechselte er 1972 zu Exxon. Dort untersuchte er, wie sich das elektrische Verhalten von supraleitenden Materialien wie Tantal-Disulfid änderte, nachdem er verschiedene Ionen eingeschleust hatte. Whittingham entdeckte, dass die Leitfähigkeit und Energiedichte des Materials zunahm, wenn er mit Kalium-Ionen experimentierte. Als er die elektrische Spannung ermittelte, maß er zu seiner Überraschung einen Wert von einigen Volt mit seinem Messgerät. Das war mehr als die damals gängigen Batterien erzielten. Wittingham erkannte sofort das Potential seiner Entdeckung und widmete sich fortan der Entwicklung neuartiger Batterien. Er konzentrierte sich auf Autobatterien.

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          Der Grund war die Ölkrise, die bei Autofahrern, vor allem aber bei vielen Fahrzeugherstellern und Erdölkonzernen wie Exxon Ängste vor dem Ende des Ölbooms aufkeimen ließ. Im Laufe seiner Laborversuche entdeckte Wittingham, dass er mit dem leichteren und besser handhabbaren Titan-Disulfid, in das er Lithium-Ionen eingebaut hatte, die besten Ergebnisse erzielte. Der britische Chemiker hatte ein am Ende besseres Elektrodenmaterial gefunden, und damit ein Rezept für einen leichteren und leistungsfähigeren neuen Batterietyp: die Lithium-Ionen-Batterie.

          Wittingham fuhr daraufhin in die Zentrale seiner Firma in New York und konnte in einem nur fünfzehnminütigen Vortrag seine Chefs überzeugen. Sie entschieden die Entwicklung einer kommerziellen Batterie nach seinen Plänen. Doch als man mit der Produktion beginnen wollte, erlebte man eine böse Überraschung. Der erste Prototyp explodierte. Die Ursache war metallisches Lithium, das sich an der negativen Elektrode abgelagert hatte und längliche Strukturen formte. Ein heftiger Kurzschluss war die Folge, bei dem sich die gespeicherte elektrische Energie auf einen Schlag entlud. Man wechselte daraufhin den Elektrolyten und fügte der Lithium-Elektrode Aluminium hinzu. Doch bevor man mit der Fertigung beginnen konnte, fiel der Ölpreis und Exxon stellte die Entwicklung von Wittinghams Batterie ein.

          Kobaltoxid - die klar bessere Lösung

          Auch der Amerikaner John Goodenough suchte im Zuge der Ölkrise nach einer alternativen Energiequelle. Er wusste von Wittinghams Arbeiten, hatte aber die bessere Lösung für die Kathode parat. Der Lithium-Akku liefert nämlich eine höhere Spannung, wenn man statt TitanDisulfid ein Metalloxid als positive Elektrode verwendet. Seine Batterie mit einer Kathode aus Lithium-Kobalt-Oxid lieferte die besten Ergebnisse. Während Wittinghams Batterie zwei Volt lieferte, brachten es Goodenoughs Akkus auf vier Volt. Zudem ließen sie sich leichter in großen Stückzahlen produzieren.

          Doch in der westlichen Welt schlief in den achtziger Jahren das Interesse – nicht zuletzt aufgrund des geringen Ölpreises – an leistungsfähigen Batterien ein. Anders in Japan, das die meisten tragbaren elektronischen Geräte produzierte. Die kompakten Geräte benötigten einen ebenso kompakten und leichten Akku mit einer großen Speicherkapazität. Die damals gebräuchlichen wiederaufladbaren Blei-Säure- und Nickel-Kadmium-Batterien waren zu schwer und zu klobig. Nun schlug die Stunde des dritten diesjährigen Nobelpreisträgers, des Japaners Akira Yoshino. Er nahm sich in den achtziger Jahren die Lithium-Ionen-Batterie von Goodenough zum Vorbild, ersetzte die negative Elektrode – bis dahin metallisches Lithium – durch Polymerschichten, später durch Graphit. Seine Lithium-Ionen-Batterie erwies sich als äußerst stabil, war vor allem sicher. Sie ließ sich in den Größen herstellen, die die Elektronikindustrie für ihre Geräte so dringend benötigte. 1991 kamen die ersten Lithium-Akkus Made in Japan auf den Markt, fast zeitgleich mit den ersten Smartphones, MP3-Playern und Laptops.

          Die Bauweise der Batterie hat sich seitdem nicht wesentlich verändert. Allerdings versucht man heute, auf kostbare Rohstoffe wie Kobalt zu verzichten, das zum großen Teil in politisch höchst instabilen  Ländern wie dem Kongo abgebaut wird. Auch experimentiert man mit Natrium und Magnesium anstelle von Lithium. Doch was immer die Forscher heute in ihren Laboren ausprobieren, mit dem klassischen Lithium-Ionen-Akku kann kein anderer Batterietyp so schnell konkurrieren.

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