Batterie-Pioniere erhalten Nobelpreis in Chemie

Die drei Forscher aus den USA, Grossbritannien und Japan werden für ihre Entwicklung der Lithium-Ionen-Batterien gewürdigt.

Die drei Gewinner: John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham und Akira Yoshino (v.l.).(Illustration: Niklas Elmehed)

Die drei Gewinner: John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham und Akira Yoshino (v.l.).(Illustration: Niklas Elmehed)

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Chemienobelpreise haben in der Regel ein kleines Problem: Das, wofür sie vergeben werden, klingt realitätsfern, ist höllenkompliziert – und entbehrt auch meist des Zaubers grosser Durchbrüche wie in der Physik. Was sollen Normalsterbliche schon mit «Methathese» oder «Multiskalenmodellen» anfangen? Und trotzdem ist alles ­Chemie, und Chemie ist überall – kein Nobelpreis der jüngeren Zeit macht das auf so anschauliche Weise deutlich wie der diesjährige.

Der Amerikaner John Good­enough, der Brite Stanley ­Whittingham und der Japaner Akira Yoshino werden für ihre grundlegenden Beiträge zur Entwicklung des Lithium-Ionen-Akkus ausgezeichnet – einer Technologie, die zumindest in den Industrienationen heute fast jeder Mensch in seiner Hosen- oder Handtasche mit sich herumschleppt. Smartphones, Laptops und auch sogenannte ­Powerbanks zum steckdosenfreien Aufladen wären ohne die Forschung der drei Preisträger in ihrer heutigen Form undenkbar, erst ihre Erkenntnisse haben elektrische Geräte wahrhaft mobil und für die Menschheit zum alltäglichen Begleiter gemacht.

Dabei ist es alles andere als leicht, eine Batterie zu entwickeln, wie das Nobelpreiskomitee am Mittwoch in Stockholm betonte. Einige der noch immer gebräuchlichen Akkus sind uralt – Autobatterien mit Blei und Säure etwa stammen, technologisch gesehen, aus dem 19. Jahrhundert. Auch später entwickelte Batterien waren entweder sehr gross, schwer, nicht leistungsfähig genug, giftig oder alles zusammen. Lithium galt deshalb als attraktives Material: Es ist das leichteste Metall überhaupt und gibt als sogenannte Anode bereitwillig negativ geladene Teilchen, Elektronen, für den elektrischen Stromfluss ab. Stanley Whittingham, der heute an der Binghamton States University of New York forscht, gelang es in den 1970er-Jahren, einen passenden Gegenspieler zu finden, der die Elektronen auf der anderen Seite der Batterie, der Kathode, aufnimmt: Titansulfat.

Sensationelle Spannung von 4 Volt

Diese Kombination belegte erstmals das grosse Potenzial der Lithiumtechnologie; die erzeugte Spannung war mit 2 Volt grösser als bei allen damals bekannten Batterien. Es ging aber noch mehr: John Goodenough erkannte rund zehn Jahre später, dass Metalloxide bessere Partner für Lithium sind, er entwickelte die ersten Lithiumbatterien mit Kobaltoxid als Kathode, die sensationelle 4 Volt Spannung lieferten. Das in diesen Batterien enthaltene elementare Lithium ist allerdings ziemlich reaktionsfreudig – zum Beispiel mit Wasser. Die ersten Lithium-Ionen-Batterien scheiterten am Risiko zu explodieren. Erst Akira Yoshino gelang es schliesslich, auch dieses Problem zu lösen: Er verpackte das Lithium in Petrolkoks – ein Material aus Kohlenstoff, das die Reaktivität des Metalls bändigt. Das war 1985. Sechs Jahre später waren die ersten Akkus kommerziell erhältlich.

«Diese Technologie hat die Welt, in der wir leben, grundlegend verändert», sagt Stefano Passerini vom Helmholtz-Institut in Ulm. Zwar seien mobile Geräte schon mit Nickel-Metall- hydrid-Akkus möglich und auch erhältlich gewesen. «Aber Lithium hat die Leistungsfähigkeit der Batterien noch einmal verdreifacht und das Gewicht sehr deutlich reduziert», sagt der Elektrochemiker und erinnert an die Handys der 90er-Jahre, die noch gross waren und kaum Elektrizität verbrauchen durften. Passerini hatte am Mittwoch Gelegenheit, mit Stanley Whittingham in Ulm persönlich zu feiern, der 77-jährige Preisträger hielt am Vormittag einen Vortrag am Institut. «Er ist ein neugieriger, ausgesprochen freundlicher und bodenständiger Mensch, der noch immer sehr viel forscht», sagt Passerinis Institutskollege, der Festkörperchemiker Maximilian Fichtner.

Ältester Preisträger in der Geschichte der Nobelpreise

Auch Goodenough forscht noch immer an der University of Texas at Austin und tauscht sich mit Kollegen aus – wie im letzten Jahr in Jena, seiner Geburtsstadt. Der Chemiker wurde im Juli 97 Jahre alt und ist damit nun der älteste Preis­träger in der Geschichte der Nobelpreise. Viele Mitstreiter, die ihrerseits an der Lithium-Ionen-Technologie gearbeitet und wichtige Beiträge geleistet haben, leben nicht mehr – oder wurden nicht berücksichtigt, wie Experten anmerken. Passerini nennt den Franzosen Michel Armand und den Italiener Bruno Scrosati. «Aber es können eben nur drei Forscher ausgezeichnet werden», sagt er. Und verdient haben den Preis nach Meinung der Fachleute alle drei Laureaten.

Ohne hochleistungsfähige Akkus wären solche Szenen undenkbar: Demonstranten in Honkong halten ihre Mobiltelefone in die Höhe. Foto: Kin Cheung (AP)

«Was diese drei Forscher geleistet haben, liegt zwar Jahrzehnte zurück», sagt der Batterie-Experte Ulrich Schubert von der Universität Jena. «Aber ihre Arbeit ist der Meilenstein, auf dem die gesamte moderne Batterieforschung aufbaut.» Bis heute seien Lithiumakkus die beste Möglichkeit, Strom aus er­neuerbaren Ressourcen zu speichern und zu nutzen. Auch das Nobelpreiskomitee in Stockholm weist auf die Rolle der Akkus für den Klimaschutz hin, gerade in Elektroautos.

Erstellt: 09.10.2019, 12:05 Uhr

«Ein wichtiges Ziel ist, Lithium-Ionen-Batterien ohne Kobalt herzustellen»

Ist der Nobelpreis für die ­Entwicklung der Lithium-Ionen-Batterie eine Überraschung?
Für uns wäre die Auszeichnung schon länger fällig gewesen. Die Lithium-Ionen-Batterie hat die Gesellschaft grundlegend verändert – in der Kommunikation, der Mobilität und am Arbeitsplatz. Ohne Lithium-Ionen-Akkus gäbe es heute keine Smartphones.

Was macht die Batterie so gut?
Bisher unschlagbar ist ihre Effizienz. Nach 5000 Vollladezyklen können die besten Zellen immer noch über 90 Prozent der Anfangskapazität liefern, das ist enorm. Die Kombination aus Energiedichte, Zyklenstabilität, Kosten, Sicherheit und die Flexibilität im Design der Batteriezellen sind bisher unerreicht.

Corsin Battaglia: Er leitet die Abteilung «Materials for Energy Conversion» am Materialforschungsinstitut Empa in Dübendorf.

Wird nicht viel Kobalt, ein knapper Rohstoff, verwendet?
Kobalt ist tatsächlich als kritisches Element eingestuft. Etwa 50 Prozent kommt aus dem Kongo; das Land verfügt über die Hälfte der Welt-Ressourcen, was politisch heikel ist.

Sucht man Alternativen?
Sony hat die Lithium-Ionen-Batterie 1991 kommerzialisiert. Der neue Nobelpreisträger John Goodenough hatte Kobaltoxid für die positive Elektrode vorgeschlagen. In heutigen Zellen wird bereits bis zu 80 Prozent des Kobalts durch Nickel, Mangan oder Aluminium ersetzt. Ein wichtiges Ziel unserer Forschung ist es, Lithium-Ionen-Batterien ganz ohne Kobalt herzustellen, aber damit sind zurzeit noch keine 5000 Ladezyklen möglich.

Wie steht es mit dem Lithium?
Das ist kein knappes Gut. Lithium wird vor allem aus Salzseen in Südamerika gewonnen. Es kann aber dereinst auch aus Meerwasser gewonnen werden, das allerdings Lithium in geringerer Konzentration enthält.

Ihr Team an der Empa ist an der Entwicklung einer Natriumsalz-Batterie. Ist das eine Alternative?
Das wäre eine Option. Aber im Moment ist sie noch nicht konkurrenzfähig für mobile Anwendungen. Mittelfristig ist sie eine Alternative für stationäre Anwendungen zum Beispiel für Grossbatterien.

Werden Lithium-Ionen-Batterien dominant bleiben?
Sie werden in den nächsten Jahren sicher nicht abgelöst, zumal es verschiedene Typen von Lithium-Ionen-Batterien gibt mit unterschiedlichen Materialien. Konkurrenz könnte von den Natrium-Ionen-Batterien kommen, die nahe an der Kommerzialisierung sind.

Werden die Kosten weiter fallen?
Das ist anzunehmen. Sie sind jetzt schon um ein Mehrfaches tiefer als noch vor zehn Jahren. Einsparungen werden zukünftig wohl weniger in der Fertigung gemacht als durch Effizienzsteigerung mit neuen Materialien.

Interview: Martin Läubli

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