Chemie-Nobelpreis für Entwicklung von Lithium-Ionen-Akkus Technik für "wiederaufladbare Welt"

Der Chemie-Nobelpreis 2019 geht an den US-Amerikaner John Goodenough, den Briten Michael Stanley Whittingham und den Japaner Akira Yoshino für die Entwicklung von Lithium-Ionen-Akkus.

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Sie haben eine wiederaufladbare Welt geschaffen

Mobiltelefone, Laptops, Herzschrittmacher: Ohne Lithium-Ionen-Akkus wäre die Vielfalt an Mobilgeräten, die wir heute ganz selbstverständlich nutzen, nicht denkbar. Auch moderne Elektrofahrzeuge verdanken ihre Reichweite dem, im Vergleich zu früheren Akku-Typen, geringeren Gewicht der Lithium-Ionen-Akkus. Ihre hohe Speicherkapazität wird künftig eine große Rolle bei der Speicherung von Sonnen- und Windenergie spielen - ein wichtiger Baustein beim Aufbau eines Versorgungsnetzes, das ohne fossile Energieträger auskommen soll.

Smbolfoto Elektroauto (Foto: dpa Bildfunk, Jan Woitas/zb/dpa +++ dpa-Bildfunk)
Lithium-Ionen-Batterien spielen ein wichtige Rolle für die Elekromobilität. Jan Woitas/zb/dpa +++ dpa-Bildfunk

Grundstein für Entwicklung in den Jahren der Ölkrise

Der Grundstein für die Lithium-Ionen-Batterie wurde in den 1970er Jahren während der Ölkrise gelegt. Stanley Whittingham  entdeckte ein extrem energiereiches Material, aus dem er eine innovative Kathode für eine Lithiumbatterie herstellte: Titandisulfid. Zwischen seinen Molekülen ist ausreichend Platz, dass sich dort Lithiumionen einlagern können.

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Die Kathode der Batterie bestand also bereits aus einem Speichermaterial mit den darin eingebetteten Lithium-Ionen. Die Anode der Batterie bestand aber noch aus metallischem Lithium. Dies führte zwar zu einer Akku-Zelle, die mit etwas mehr als zwei Volt eine enorm hohe Spannung erzeugte, brachte aber auch einen großen Nachteil mit sich: Metallisches Lithium ist sehr reaktionsfreudig. Diese Bauart einer auf Lithium-Basis arbeitenden Batterie erwies sich schnell als zu explosiv.

Produktion von Lithium-Ionen-Akkus (Foto: Imago, imago images / VCG)
Die weltweit meisten Lithium-Ionen-Akkus werden in China produziert. Imago imago images / VCG

Mehr Leistung für Lithiumakkus durch Kobaltoxid

John Goodenough sagte voraus, dass dieser neue Typ von Akkumulator eine noch höhere Spannung liefern könnte, wenn er unter Verwendung eines Metalloxids anstelle eines Metallsulfids hergestellt würde. Nach einer systematischen Suche konnte er 1980 tatsächlich nachweisen, dass Kobaltoxid mit eingelagerten Lithiumionen bis zu vier Volt Spannung erzeugen kann. Ein entscheidender Durchbruch, der zu viel leistungsstärkeren Batterien führen.

John Goodenough bei einer Preisverleihung 2013 (Foto: dpa Bildfunk, picture alliance/dpa / AP / Charles Dharapak)
Der Nobelpreis für Chemie geht in diesem Jahr u.a. an den 97-jährigen, in Jena geborenen US-Amerikaner John Goodenough. picture alliance/dpa / AP / Charles Dharapak

Auf der Grundlage von Goodenoughs Kathode schuf Akira Yoshino 1985 die erste kommerziell erhältliche Lithium-Ionen-Batterie. Die Anode bestand nun nicht mehr aus dem übermäßig reaktionsfreudigen Lithium. Stattdessen, verwendete Yoshino Petrolkoks, ein Kohlenstoffmaterial, das ebenfalls die Fähigkeit besitzt, Lithium-Ionen einlagern zu können.

Damit war das metallische Lithium komplett aus dem Akku verbannt. Die viel weniger reaktiven Lithium-Ionen waren sowohl in der Anode als auch in der Kathode eingelagert.

Der japanische Wissenschaftler Akira Yoshino hält Lithium-Batterien in den Händen (Foto: dpa Bildfunk, picture alliance/dpa / Kyodo News/AP / Yoshiaki Sakamoto)
Der japanische Wissenschaftler Akira Yoshino ist einer der Preisträger, der wesentlich an der Entwicklung von Lithium-Ionen-Akkus beteiligt war. picture alliance/dpa / Kyodo News/AP / Yoshiaki Sakamoto

Ständiger Fluss statt Zerstörung der Elektroden

Das Ergebnis war ein leichter, strapazierfähiger Akku, der Hunderte Male aufgeladen werden konnte, bevor sich seine Leistung verschlechterte. Der Vorteil von Lithium-Ionen-Batterien besteht darin, dass sie nicht auf chemischen Reaktionen beruhen, die die Elektroden zerstören, sondern auf Lithium-Ionen, die zwischen Anode und Kathode hin und her fließen.

Elektronische Schutzschaltungen sollen Akku-Brände verhindern

Eine unerwünschte Eigenschaft konnte man diesem Batterietyp aber bislang nicht austreiben: Die Lithium-Ionen-Akkus reagieren sehr empfindlich auf starke Aufladung und zu tiefe Entladung. Bei Überladung kann sich metallisches Lithium im Innern der Zelle bilden - und damit steigt die Gefahr, dass es zu einer unerwünschten Kettenreaktion kommt, an deren Ende der Akku in Brand gerät.

Smartphone brennt und explodiert (Foto: Colourbox, Korn Vitthayanukarun)
Selten, aber möglich: Akkus können in Brand geraten oder explodieren. Korn Vitthayanukarun

Ähnliches gilt für den Weiterbetrieb eines Lithium-Ionen-Akkus nach einer Tiefentladung. Um den Akku immer in seiner "Komfortzone" zu betreiben und unerwünschte Kettenreaktionen zu verhindern, wurden deshalb elektronische Schutz-Schaltungen entwickelt, die oft schon in die Akku-Packs integriert sind.

Lithium-Abbau in der Kritik

Der wichtigste Rohstoff der Batterie ist das Lithium. Von ihm wird immer mehr gebraucht. Nach Berechnungen der Risikoanalyse-Firma Global Data soll sich die Lithium-Produktion bis 2022 verdreifachen. Doch der großflächige Abbau hat Folgen für Umwelt und Menschen. Der Salzsee Salar de Uyuni im Norden Chiles beherbergt beispielsweise eines der größten Lithium-Vorkommen weltweit. Doch er ist auch Lebensraum der vom Aussterben bedrohten Andenflamingos, ihre Heimat verändert sich durch den Lithiumabbau und schrumpft.

Außerdem verbraucht der Abbau von Lithium viel Wasser. Das hat Folgen für den Grundwasserspiegel in den betroffenen Regionen und insbesondere für indigene Gemeinschaften, die in einer sowieso trockenen Region rund um die Salzseen Landwirtschaft betreiben.

Salzwüste von Uyuni in Bolivien (Foto: Imago, imago/Aurora Photos / David Hanson)
Die Salzwüste von Uyuni in Bolivien enthält eine der größten Lithiumreserven der Welt Imago imago/Aurora Photos / David Hanson

Die Preisträger

John B. Goodenough , geboren 1922 in Jena. Ph.D. 1952 von der University of Chicago, USA. Virginia H. Cockrell-Lehrstuhl für Ingenieurwissenschaften an der University of Texas in Austin, USA.

M. Stanley Whittingham , geboren 1941 in Großbritannien. Ph.D. 1968 von der Oxford University, UK. Ausgezeichneter Professor an der Binghamton University der State University von New York, USA.

Akira Yoshino , geboren 1948 in Suita, Japan. Ph.D. 2005 von der Osaka University, Japan. Honorary Fellow bei der Asahi Kasei Corporation, Tokio, Japan und Professor an der Meijo University, Nagoya, Japan.

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