Wissenschaft

Chemie-Nobelpreis 2019

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Die Erfinder der Lithium-Ionen-Batterie haben den Chemie-Nobelpreis gewonnen. Ihre Forschung hat Smartphones, Laptops und Elektroautos ermöglicht und ist die Grundlage für eine Welt ohne fossile Brennstoffe.

imago images/ Science Photo Library

Lithium-Atom (Illustration): Durch sein geringes Gewicht, wurden leichte Akkus möglich

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Mittwoch, 09.10.2019   19:59 Uhr

Falls Sie diesen Text auf ihrem Smartphone lesen, können sie sich bei John Goodenough, Stanley Whittingham und Akira Yoshino bedanken. Die drei Forscher aus den USA, Großbritannien und Japan haben Akkus auf der Basis von Lithium-Ionen entwickelt und dafür den Chemie-Nobelpreis 2019 erhalten.

Lithium-Ionen-Akkus sind so leicht und können eine so hohe Spannung erzeugen, dass sie mobile Telefone überhaupt erst ermöglicht haben. Früher wogen Batterien zwei Tonnen, heute sind es 300 Gramm. Auch Laptops, E-Autos oder Elektroroller wären ohne die Erfindung unvorstellbar. Zudem bietet sie die Chance, die Welt unabhängig von fossilen Brennstoffen mit Strom zu versorgen.

Die Entwicklung der Technik, die Öl als Rohstoff überflüssig machen soll, nahm in den Laboren des amerikanischen Ölkonzerns Exxon seinen Anfang. Bereits in den Siebzigern war dem Unternehmen klar, dass die Ölreserven endlich sind. Elektroautos könnten eine Alternative sein, so die Idee. Um das Potenzial zu ergründen, stellte Exxon einen der führenden Wissenschaftler auf dem Gebiet der Batterieforschung ein.

Foto: Naina Helen Jama/ TT News Agency/ REUTERS

Stanley Whittingham hatte Lithium bereits als Material für seine Arbeit entdeckt. Der Stoff, das war Forschern bereits klar, ist prädestiniert für den Einsatz in Batterien. Es ist das leichteste, feste Metall, das es gibt. Dadurch passen große Mengen in eine Batterie, ohne dass diese sehr groß oder sehr schwer wird. Außerdem sind die Atome sehr reaktionsfreudig.

Von der Batterie zum Akku

Batterien funktionieren, indem eine Spannung zwischen zwei Polen erzeugt wird. Entscheidend dafür sind negativ geladene Teilchen, sogenannte Elektronen, die vom Minus- zum Pluspol der Batterie wandern. Je leichter ein Stoff Elektronen abgibt, desto größer wird die Spannung zwischen den Polen und desto mehr Strom kann fließen.

Johan Jarnestad/ The Royal Swedi

Lithiumatome geben bereitwillig das Elektron von ihrer äußeren Hülle ab

Lithiumatome geben bereitwillig ein Elektron ab und können daher einen großen Strom erzeugen. Das macht sie allerdings auch sehr reaktionsfreudig.

Sie reagieren mit einer großen Anzahl Atome und Moleküle, beispielsweise mit Wasser - und fangen leicht Feuer. Bis heute weisen Fluggesellschaften ihre Passagiere deshalb darauf hin, dass Smartphones mit Lithium-Ionen-Akkus Feuer fangen können. Ziel der Nobelpreisforscher war es, die Reaktionsfreude von Lithium zu senken.

Whittingham machte den ersten Schritt. Er versah den Pluspol seiner Lithium-Batterie mit Titandisulfid. Der Stoff ist in Schichten aufgebaut, in deren Zwischenräumen sich die Elektronen aufhalten können, ohne mit dem Material zu reagieren. Dabei entstand eine für Batterien hohe Spannung von zwei Volt zwischen den Polen. Zum Vergleich: Viele der heute verwendeten Alkali-Batterien haben nur 1,5 Volt.

Johan Jarnestad/ The Royal Swedi

In Whittinghams Batterie finden Elektronen Unterschlupf in Schichten aus Titandisulfid

Und es gab noch einen Vorteil: Die in den Zwischenräumen des Titandisulfid gelagerten Elektronen können immer wieder einen Strom erzeugen. Wird die Batterie genutzt, wandern Elektronen vom Lithium am Minuspol zum Titandisulfid am Pluspol. Beim Laden wandern sie wieder zurück. Noch hatte der Akku allerdings einige Schwächen.

In Deutschland geborener Forscher entwickelte die Technik weiter

Trotzdem schaffte es Whittinghams Entwicklung zumindest in kleinem Umfang auf den Markt. Die Batterie wurde unter anderem in Solaruhren eines Schweizer Herstellers verbaut. Im nächsten Schritt wollte Whittingham einen deutlich größeren Akku entwickeln, der auch Autos antreiben kann. Doch Exxon stellte die Batterieforschung im Zuge der Ölkrise Anfang der Achtziger aus finanziellen Gründen ein.

Stattdessen entwickelte der in Deutschland geborene John Goodenough die Technik an der britischen Oxford University weiter. Er entdeckte einen Stoff, der als Pluspol in Lithiumbatterien taugt: Cobaltoxid.

Dieses bildet ebenfalls Lagen, in die Elektronen hinein- und wieder herausschlüpfen können. Als Oxid enthält es zudem Sauerstoffatome. Weil - vereinfacht ausgedrückt - das Lithium am Minuspol der Batterie mit dem Sauerstoff am Pluspol reagieren möchte, entsteht in Goodenoughs Batterie eine hohe Spannung von vier Volt.

Johan Jarnestad/ The Royal Swedish Academy of Sciences

Goodenough erzeugte eine gewaltige Spannung von vier Volt

Der Japaner Yoshino perfektionierte das Verfahren schließlich. In seinem Heimatland hofften Technikfirmen in den Achtzigern auf günstige, leichte, wiederaufladbare Batterien für Videorekorder, schnurlose Telefone und Computer. Yoshino arbeitete für das Unternehmen Asahi Kasei daran, das problematische metallische Lithium am Minuspol der Batterien zu ersetzen.

Petrolkoks brachte den Durchbruch

Dabei konzentrierte er sich auf Moleküle, die auf Kohlenstoff basieren. Unter anderem veränderte er Petrolkoks so, dass es sich ebenfalls in Lagen anordnet, so konnten sich positiv geladene Lithium-Ionen in den Lücken aufhalten. Metallisches Lithium spielt in diesem Modell keine Rolle mehr. Die moderne Lithium-Ionen-Batterie war geschaffen.

Johan Jarnestad/ The Royal Swedi

Die Ladung wandert von den Hohlräumen am Minuspol zu denen am Pluspol

Sie lässt sich mehrere Hundert Male aufladen und ist in fast allen elektronischen Geräten zu finden, die ohne direkte Stromversorgung laufen. Neben Smartphones und Laptops funktionieren auch Herzschrittmacher und Hörgeräte nur dank der Entwicklung der Nobelpreisforscher. Zudem ist die Idee, die die Forschung überhaupt erst ins Rollen gebracht hatte, heute aktuell wie nie.

Ohne Lithiumbatterien kein Strom aus regenerativen Quellen

Elektroautos, gänzlich unabhängig von Öl, fahren bereits auf unseren Straßen. Zudem sind Lithium-Ionen-Akkus eine wichtige Grundlage, um Energie von Windrädern und Solaranlagen zu speichern. Ohne sie wäre die flächendeckende Versorgung mit Strom aus regenerativen Quellen schwierig.

Allerdings gibt es immer noch Schwachstellen. Zum einen prangern Menschenrechtsorganisationen die Umstände an, unter denen Arbeiter - vor allem in Entwicklungsländern - die Metalle für die Akkus gewinnen. Zum anderen lässt sich die Technik noch effizienter gestalten.

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Forscher arbeiten etwa daran, das Elektroden-Material durch kleinere Moleküle zu ersetzen. Dann könnten die Batterien noch mehr Lithium aufnehmen und dadurch mehr Energie speichern.

"Wir werden die Energiedichte von Lithium-Ionen-Akkus in den nächsten zehn bis zwanzig Jahren um die Hälfte bis das Doppelte hochschrauben können", sagt der Chemiker Martin Winter, der das Batterieforschungszentrums MEET in Münster leitet. "Erst dann sind wir mit allen Finessen am Ende."

Mitarbeit: Martin Schlak

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