- © nobelprize.org
© nobelprize.org

Stockholm/Wien. Sie finden Verwendung in Handys, Laptops oder Elektroautos. Mit ihrer Hilfe können wir kommunizieren, arbeiten, lernen, Musik hören und das Internet nach Wissen durchsuchen. Ihnen ist es zudem möglich, große Mengen an Energie aus Solaranlagen oder der Windkraft zu ziehen. Durch sie hat sich unser Leben zu einer wiederaufladbaren Welt gemausert. Die Rede ist von Lithium-Ionen-Akkumulatoren. Für die Entwicklung dieser Energiespeicher wurden der US-Forscher John Goodenough, der Brite Stanley Whittingham und der Japaner Akira Yoshino von der Königlich Schwedischen Akademie der Wissenschaften mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet. "Durch ihre Arbeit haben sie die Voraussetzungen für eine drahtlose und von fossilen Brennstoffen freie Gesellschaft geschaffen und damit den größten Nutzen für die Menschheit gebracht", so das Nobelpreis-Komitee in seiner Begründung.

Beginn in der Ölkrise

Die Energiespeicher erzeugen Strom, indem Ionen und Elektronen bewegt werden. Beim Entladen wandern Lithium-Ionen von einer Elektrode (Anode) zur anderen (Kathode). Die Elektronen beginnen zu fließen, sobald die positiven Ionen an der Kathode negativ geladene Elektronen an sich ziehen. Dabei wird elektrischer Strom erzeugt, der eben Mobiltelefone funktionstüchtig oder Elektroautos fahrtüchtig macht.

- © nobelprize.org
© nobelprize.org

Der Beginn ihrer Entwicklung reicht bis in die Ölkrise in den 1970er Jahren zurück. Stanley Whittingham von der Binghamton University im US-Bundesstaat New York forschte nach Technologien, um Energie fossilneutral nutzbar zu machen. Er schuf damals die ersten Lithium-Ionen-Batterien. Als Grundlage diente Titandisulfid, ein extrem energiereiches Material. Dieses nutzte er als innovative Kathode (eine negativ geladene Elektrode) in einer solchen Batterie. Als Anodenmaterial (positiv geladene Elektrode) brachte er metallisches Lithium ein, das viele Elektronen freisetzt. Diese Batterie hätte großes Potenzial gehabt und eine elektrische Spannung von immerhin zwei Volt erzeugt. Metallisches Lithium ist allerdings auch besonders reaktiv und die Batterie damit explosiv – also unbrauchbar.

Seit 1991 marktreif

John B. Goodenough, Stanley Whittingham,  Akira Yoshino erhielten den Nobelpreis für Chemie 2019. - © afp/Marsha Miller/Jonathan Cohen/Kazuhiro Nogi
John B. Goodenough, Stanley Whittingham,  Akira Yoshino erhielten den Nobelpreis für Chemie 2019. - © afp/Marsha Miller/Jonathan Cohen/Kazuhiro Nogi

John B. Goodenough von der University of Texas in Austin – übrigens mit 97 Jahren der bisher älteste Wissenschafter, der mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde – sagte schließlich voraus, dass die Kathode ein noch größeres Potenzial hätte, wäre sie aus einem Metalloxid anstelle eines Metallsulfids geschaffen. Nach einer systematischen Suche präsentierte er im Jahr 1980 Kobaltoxid als geeignete Grundlage. Damit ließ sich eine Batterie herstellen, die vier Volt erzeugte. Dabei handelte es um einen wichtigen Durchbruch hin zu leistungsstarken Akkumulatoren, schreibt das Nobelkomitee in einer Aussendung.

Mit Goodenoughs Kathode als Basis, schuf der Japaner Akira Yoshino von der Meijo University in Nagoya im Jahr 1985 die erste kommerziell einsetzbare Lithium-Ionen-Batterie. Statt reaktives Lithium verwendete er aber ein Kohlenstoffmaterial als Anode. Das Ergebnis war ein leichtgewichtiger, strapazierfähiger Akku, der Hunderte Male aufgeladen werden kann, bevor sich seine Leistung verschlechtert. Diese Batterien haben unser Leben regelrecht revolutioniert. Die ersten waren 1991 auf den Markt gekommen. "Sie führten zu einer drahtlosen, fossilfreien Gesellschaft und sind einer der größten Benefits der Menschheit", so das Nobelkomitee.

In der Kritik

Heute stehen Lithium-Ionen-Batterien allerdings auch in der Kritik. Der Abbau der Rohstoffe bringe negative Folgen für die Umwelt und für die Bevölkerung vor Ort, heißt es seitens Umweltschutzorganisationen. Lithium ist das leichteste Metall auf der Erde und zählt zu den nicht nachwachsenden Rohstoffen. Zwar kommt es häufig vor, jedoch nur in sehr niedrigen Konzentrationen. Die Nachfrage steigt allerdings weiter – alleine für Elektroautos.

Im vergangenen Jahr ging die Auszeichnung zur Hälfte an die US-Forscherin Frances Arnold, zur anderen Hälfte an den US-Wissenschafter George Smith und seinen britischen Kollegen Gregory Winter. Sie wurden für Methoden ausgezeichnet, welche die Mechanismen der Evolution gezielt für chemische Reaktionen einsetzen, etwa die Produktion maßgeschneiderter Enzyme oder Antikörper. Übergeben wird der Preis alljährlich am 10. Dezember, dem Todestag des Stifters Alfred Nobel.