Chemie-Nobelpreis für Lithium-Ionen-Batterien
9. Oktober 2019
Das Smartphone nachts laden, tagsüber benutzen, wieder laden und weiter benutzen – was für die meisten von uns alltäglich ist, brauchte viele Jahre intensive Forschungsarbeit. Der Lithium-Ionen-Akku sei eine "technische Revolution, die unsere Gesellschaft enorm beeinflusst hat", verkündete heute das Nobelpreis-Komitee in Stockholm.
Ausgezeichnet werden der deutschstämmige US-Forscher John Goodenough, der in Großbritannien geborene Stanley Wittingham, der in den USA forscht, und der Japaner Akira Yoshino. John Goodenough ist mit 97 Jahren der bisher älteste Nobelpreisträger zum Zeitpunkt einer Nobelpreisverkündung. Die drei forschten unabhängig voneinander an Lithium-Ionen-Akkus und trugen in entscheidendem Maße dazu bei, dass wir alle diese kleinen Energiespeicher heute nutzen können.
Mehr dazu: Der große Hunger nach Lithium und Kobalt
Tausendsassa
Lithium-Ionen-Akkus vereinen in sich viele positive Eigenschaften – das macht sie so besonders, sagt Martin Winter gegenüber der Deutschen Welle. Er ist Professor für Materialwissenschaften, Energie und Elektrochemie an der Universität Münster und wissenschaftlicher Leiter des MEET-Batterieforschungszentrums. "Sie speichern viel Energie auf kleinem Raum, halten lange, sind sicher, lassen sich schnell laden und zudem günstig herstellen. Das alles zusammen macht sie zum Akku der Wahl."
Auch gibt es bei ihnen keinen sogenannten Memory-Effekt. Das war eine unangenehme Eigenschaft der älteren Nickel-Cadmium-Akkus, die ihre volle Ladefähigkeit dann eingebüßt haben, wenn der Nutzer sie zu früh wieder aufgeladen hatte, also bevor sie völlig leer waren.
Heutzutage sind weltweit Hunderte Millionen Lithium-Ionen-Akkus in Betrieb – und mit steigender Elektromobilität werden es vermutlich noch mehr werden.
Mehr dazu: Akku-Entwicklung stößt an die Grenzen der Physik
"Lange überfällig"
"Die Auszeichnung war lange überfällig", sagt Festkörperchemiker Jürgen Janek vom Physikalisch-Chemischen Institut der Uni Gießen gegenüber der Deutschen Welle. Den Grundstein für die Entwicklung der Lithium-Ionen-Batterie legte Stanley Whittingham bereits in den 1970er Jahren, die erste kommerziell nutzbare Batterie entwickelte Akira Yoshino im Jahr 1985 – vor 34 Jahren also.
Laut Martin Winter hofft die Community seit 2016 auf einen Nobelpreis für die Entwicklung. Damals feierte man das 25-jährige Jubiläum des ersten Lithium-Ionen-Akkus auf dem Markt.
"Ich habe gestern Stanley Whittingham auf einer Tagung in Ulm getroffen", erzählt Jürgen Janek und lacht. "Wir haben noch geulkt, dass es vermutlich niemals zum Nobelpreis kommen werde." Das Thema sei für das Nobelpreis-Komitee einfach zu angewandt, habe Whittingham vermutet. Offensichtlich hatte er Unrecht.
Mehr dazu: Vergesst Akkus! Die Zukunft gehört den Superkondensatoren
Lithium zähmen
"Es mag vielleicht so aussehen, als sei es leicht, eine Batterie zu bauen", sagt Olof Ramström vom Nobelpreis-Komitee. "Aber es ist sehr schwer." In einer Batterie laufen chemische Reaktionen ab, allerdings so kontrolliert, dass sich die dabei freiwerdende Energie gezielt abgreifen lässt.
Lithium sei als leichtestes Metall eigentlich ideal, um es in Akkus zu nutzen, erklärt Ramström weiter. "Man kann viele Lithium-Atome in eine Batterie packen und sie bleibt trotzdem relativ leicht." Außerdem hat Lithium die Eigenschaft, eines seiner Elektronen schnell abgeben zu wollen, was für die Stromerzeugung wichtig ist.
Allerdings hat diese Bereitschaft seine Schattenseiten: Lithium ist eines der reaktivsten Elemente überhaupt. Es reagiert so bereitwillig mit Wasser, Sauerstoff und allen anderen Substanzen, dass es in der Natur gar nicht mehr in seiner ursprünglichen metallischen Form vorliegt. Wirft man beispielsweise ein Stück Lithium ins Wasser, schwimmt es zischend auf der Oberfläche hin und her, es entsteht Wasserstoff und der kann sich von selbst entzünden.
Also: "Man muss die Reaktivität von Lithium zähmen", sagt Ramström, "und das haben die Nobelpreisträger geschafft."
Mehr dazu: Was passiert, wenn ein Akku Feuer fängt?
Der Schichtaufbau macht's
Der Schlüssel zur gebrauchsfähigen Batterie waren die richtigen Materialien für Kathode und Anode. Stanley Whittingham nutzte als erster ein Kathodenmaterial – Titansulfid –, das aus Atomschichten aufgebaut war. "Das war ein Durchbruch", sagt Jürgen Janek. "Denn Lithium kann sich dazwischen einlagern." Dadurch, dass die einzelnen Teilchen voneinander räumlich getrennt sind, werden sie kontrollierbar.
John Goodenough fand später ein noch besseres Kathodenmaterial – Lithium-Kobaltoxid – mit dem gleichen schichtförmigen Aufbau. Er erhöhte damit die Energiedichte, die in der Batterie gespeichert ist. Akira Yoshino wiederum erschuf die erste gebrauchsfähige Batterie und machte sie sicher im Gebrauch.
Vorher bestand die Anode aus Lithiummetall. Yoshino ersetzte sie durch eine aus Graphit, also Kohlenstoff. Darin lagern sich die Lithiumatome in ionischer Form ein. "Sie gehen quasi eine Wirt-Gast-Beziehung ein", erklärt Martin Winter. Durch die Bindung an den Kohlenstoff liegt Lithium nicht mehr in metallischer Form vor.
Beim Entladen des Akkus gibt Lithium ein Elektron ab und wandert von der Anode in die Kathode, wo es sich einlagert. Beim Laden wandern diese Ionen wieder ins Graphit der Anode. "Und dieses Laden und Entladen kann man eben viele, viele Male machen", sagt Ramström. Allerdings finden zu einem geringen Teil auch immer Nebenreaktionen in der Batterie statt – das ist der Grund, warum der Handy-Akku irgendwann nur noch wenige Stunden hält statt vieler Tage wie kurz nach dem Kauf.
Mehr dazu: Lithium: Der Streit um Portugals weißes Gold
Die Suche geht weiter
Auch nachdem Lithium-Ionen-Akkus in den 1990er Jahren erstmals auf den Markt kamen, hörte die Entwicklung nicht auf, sagt Jürgen Janek. "Man hat innerhalb von 25 Jahren die Energiedichte der Akkus um Faktor 4 gesteigert."
Mittlerweile stoßen jedoch auch Lithium-Ionen-Akkus physikalisch mehr und mehr an ihre Grenzen. Als Samsung vor einigen Jahren versuchte, die Energiedichte noch weiter zu erhöhen und die Materialien noch dichter zu packen, fingen einzelne Smartphones Feuer, weil die Akkus überhitzten.
"Es gibt noch vieles zu verbessern", sagt Winter, und nennt neben Leistungsfähigkeit und Sicherheit auch Nachhaltigkeit und Recyclingfähigkeit als Beispiel. Die Akkus enthalten beispielsweise das Metall Kobalt. Das wird zum größten Teil in Afrika unter oft sozialunverträglichen Bedingungen abgebaut, etwa mit Kinderarbeit.
Moderne Akkus enthalten laut Martin Winter nur noch wenige Prozent Kobalt, stattdessen sind der Kathode beispielsweise Nickel, Mangan oder Aluminium beigemischt.
Heute arbeiten Forscher an ganz neuen Arten von Batterien aus gut verfügbaren Elementen wie Natrium, Eisen und Schwefel. Solche neuen Batteriearten könnten womöglich in 20 Jahren oder mehr aktuell werden. Das wären dann auf jeden Fall heiße Kandidaten für zukünftige Nobelpreise.
Der dritte Naturwissenschaftsnobelpreis
Am Dienstag wurde der Nobelpreis für Physik verkündet. Er ging an drei Astrophysiker: an die beiden Schweizer Michel Mayor und Didier Queloz von der Universität Genf und an James Peebles, er ist gebürtiger Kanadier, forscht und lebt aber schon lange in den USA.
Ausgezeichnet wurden sie für Forschungen, die zeigen, wie sich der Weltraum entwickelt hat. Die beiden Schweizer erhalten den Preis außerdem für die Entdeckung des ersten Exoplaneten im Jahr 1995.
Am Montag wurden zwei US-Forscher und ein Brite mit dem Medizin-Nobelpreis geehrt, für ihre Erkenntnisse, wie Körperzellen mit unterschiedlichen Sauerstoffangeboten zurecht kommen. Und wie man diesen Mechanismus nutzen kann, um Krankheiten wie Blutarmut oder auch Krebs zu bekämpfen.