Chemie, Nobelpreis

Die Entwicklung der Lithium-Ionen Batterie (Chemie Nobelpreis 2019)

The Royal Swedish Academy of Sciences has decided to award the 2019 Nobel Prize in Chemistry to John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham and Akira Yoshino “for the development of lithium-ion batteries.”

Also für die Entwicklung der Lithium-Ionen Batterien. Wir alle benutzen diese Art von Batterien quasi täglich in Handys, Laptops, Elektroautos und vielem mehr. Um genau diese Entwicklung geht es heute!

Selten dürfte es leichter sein, der Allgemeinheit, die sich möglicherweise nicht für Naturwissenschaften interessiert, zu erklären, warum die Entdeckung der diesjährigen Preisträger den Chemie Nobelpreis verdient hat! Beziehungsweise die Alltagstauglichkeit der Erfindung zu erklären. Um was geht es? Um die Lithium-Ionen Batterie. Ohne diese Batterie wäre vieles an Elektronik, wie wir sie inzwischen ganz normal finden, schlicht nicht möglich. DIe Batterien stecken in unseren Handys, in Laptop-Akkus, in elektrischen Autos und auch in Wind- und Solaranlagen. Erst die Entwicklung einer leichten, wiederverwendbaren und trotzdem leistungsstarken Batterie hat all das möglich gemacht. Und genau für diese Entwicklung erhalten drei Wissenschaftler dieses Jahr den Nobelpreis.

Lithium ist das Element, um das sich dieses Jahr beim Chemie Nobelpreis alles dreht. Es ist das leichteste Metall und hat eine starke Neigung, das Elektron in der äußeren Hülle zu verlieren. Passiert dies, entsteht das stabilere, positiv-geladene Lithium-Ion. Diese Reaktionsfreudigkeit wird sich für die Batterie zu Nutze gemacht.

Lithium ist das leichteste Metall und ist extrem reaktionsfreudig. Diese Eigenschaft ist entscheidend für die Lithium-Ionen Batterie.

Bereits in den 1970er Jahren entwickelte Whittingham die erste, funktionierende Lithium-Batterie. Beauftragt wurde er dabei von der Firma Exxon, ein Mineralölkonzern, der früh erkannte, dass sie Alternativen zum Öl erforschen müssten. Als Material für die Anode (also die negative Elektrode der Batterie) wählte er Lithium aus, wegen seiner oben erwähnten Eigenschaft, seine Elektronen leicht abzugeben. Leider explodierte diese Version der Batterie oft, weil nach einigen Aufladevorgängen kleine Lithium“haare“ wuchsen und einen Kurzschluss verursachten, wenn sie auf die Kathode stießen. Als Schutz wurde Aluminium in die Anode eingebaut. Zu diesem Zeitpunkt in den frühen 80er Jahren fiel der Ölpreis, Exxon musste Einsparungen machen und Whittingham könnte nicht weiter für das Unternehmen forschen.

In diesem Moment übernahm Goodenough (der übrigens auch an der Entwicklung des RAM beteiligt war, noch immer eine wichtige Komponente in jedem Computer). Goodenough kannte die Arbeit von Whittingham, war aber der Überzeugung, dass die Kathode ein höheres Potential habe könnte, wenn man ein Metalloxid, statt eines Metallsulfits, verwenden würde. Entsprechend suchte er mit seiner Forschungsgruppe nach einem Metalloxid, das einen hohen Voltpegel erreichen sollte, wenn es Lithium-Ionen aufnimmt, aber nicht kollabiert, wenn Ionen entfernt werden. Diese systematische Suche führte ihn zu Lithiumcobaltoxid, womit er die Leistung der Batterie verdoppeln konnte, was in der Batteriewelt ein riesiger Sprung ist.

Als der Ölpreis wieder fiel, schwand das Interesse der großen Konzerne, Geld für die Entwicklung elektrischer Fahrzeuge bereit zu stellen. Anders in Japan, wo man großes Interesse daran hatte, leistungsstarke, leichte Batterien zu entwickeln, die man immer wieder aufladen könnte. Schließlich gelang es Yoshino 1985, reines Lithium aus der Batterie zu verbannen, ohne die Leistung zu mindern. Auch verwendete er Petrolkoks in der Anode, was die Wiederaufladbarkeit verbesserte.

Im Jahre 1991 wurden die ersten Lithium-Ionen Batterien in Japan verkauft und traten ihren Siegeszug rund um die Welt an. Die Entwicklung ermöglichte uns die Verkleinerung und gleichzeitig steigende Leistung von Handys, mp3-Player wurden entwickelt, es folgten Laptops und elektrische Autos. Besonders an der Lithium-Ionen Batterie ist außerdem, dass die Ionen zwischen der Anode und Kathode fließen, ohne mit ihrer Umwelt zu reagieren. Dadurch bleibt der Akku lange benutzbar und kann hunderte Male auf- und entladen werden.

Selbstverständlich ist auch diese Entwicklung nicht unumstritten, denn die Rohstoffe müssen selbstverständlich auch irgendwoher kommen und dabei wurden gerade ärmere Länder in Afrika ausgebeutet. Natürlich ist das nicht in Ordnung und in diesem Bereich wäre eine Verbesserung wünschenswert. Insgesamt für die Umwelt ist diese Technologie allerdings ein Fortschritt, weil der Ausstoß von Treibhausgas reduziert wird und man unabhängiger von Erdöl wird.

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Übrigens wird John Goodenough mit 97 Jahren der älteste Preisträger sein, dem jemals ein Nobelpreis verliehen wurde. Er löst damit Arthur Ashkin. ab, der 2018 den Physik Nobelpreis im Alter von 96 Jahren erhielt (er ist nur etwas mehr als einen Monat jünger als Goodenough).

 

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Quellen & weitere Infos:
Press Release
Popular Science Background
Scientific Background

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