Smartphones, Laptops, E-Mobilität: Der diesjährige Nobelpreis für Chemie würdigt eine Erfindung, die unseren Alltag prägt. John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham und Akira Yoshino erhalten den Preis für ihre Beiträge zur Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien.

Überraschend, aber wahr: Ein Ölkonzern ermöglichte die Entwicklung der Lithium-Ionen-Batterie und damit die entscheidende Basis für E-Autos und die Abkehr von fossilen Brennstoffen. Exxon finanzierte grundlegende Forschungsarbeiten von Stanley Whittingham. Der gebürtige Brite teilt sich mit John Goodenough (USA) und Akira Yoshino (Japan) den diesjährigen Chemie-Nobelpreis. Die Arbeiten der drei Forscher hätten eine «wiederaufladbare Welt» ermöglicht, teilte die Königliche Schwedische Akademie der Wissenschaften am Mittwoch mit.

Ab Mitte des 20. Jahrhunderts wuchs bei Ölkonzernen und Autoherstellern die Erkenntnis, dass begrenzte Ölreserven und zunehmende Abgasbelastung die Entwicklung anderer Antriebsmöglichkeiten nötig machte. Exxon begann, in die Entwicklung der dafür nötigen Technologien zu investieren und finanzierte damit ab 1972 auch Stanley Whittingham.

Whittingham, heute an der Binghampton University im US-Bundesstaat New York, entdeckte während seiner Forschungsarbeiten bei Exxon ein Material mit extrem hoher Energiedichte, das er für eine innovative Kathode (Minuspol) in einer Lithium-Batterie nutzte: Titandisulfid. Dieses enthält auf molekularer Ebene "Löcher", in die sich reversibel Lithium-Ionen einfügen können.

Allerdings war diese erste Lithium-Batterie aus heutiger Sicht noch relativ schwach: Sie produzierte eine elektrische Spannung von rund zwei Volt. Damit schlug sie sich im Vergleich zu den weitaus schwereren Batterietypen dieser Zeit allerdings nicht schlecht. Das Potenzial war da, im wahrsten Sinne des Wortes.

Ein weiteres Manko war allerdings, dass Whittinghams Batterie als Anoden-Material (Pluspol) metallisches Lithium einsetzte. Lithium eignet sich, weil es bereitwillig Ionen abgibt. Allerdings war die darauf beruhende Batterie sehr instabil und explosionsgefährdet.

Einige Verbesserungen erlaubten immerhin, dass die Batterie in kleinem Massstab in Produktion ging. Zum Einsatz kam sie beispielsweise bei einem Schweizer Uhrmacher, der sie in solarbetriebene Uhren einbaute. Als Anfang der 1980er Jahre der Ölpreis fiel, musste Exxon allerdings sparen und beendete die Arbeit an Whittinghams Batterie.

Auftritt John Goodenough (heute University of Texas): Der 1922 in Deutschland geborene US-Amerikaner - mit dem diesjährigen Nobelpreis der älteste Preisträger der Nobel-Geschichte - war einer der Leidtragenden der Ölkrise der 1970er Jahre und wollte daher zur Entwicklung alternativer Energiequellen beitragen. An der University of Oxford widmete er sich der Energieforschung und konnte Whittinghams Batterie entscheidend verbessern.

Er verhalf der Lithium-Batterie zu einem wichtigen Meilenstein, indem er ein Metalloxid anstelle eines Metallsulfids für die Kathode verwendete. 1980 zeigte er mit seinem Team, dass sich Whittinghams Batterie mit Kobaltoxid als Kathodenmaterial von knapp über zwei auf vier Volt steigern liess.

Mit den fallenden Ölpreisen sank jedoch im Westen das Interesse an Batterie-Technologien. Anders in Japan, wo Elektronikunternehmen leichte, wiederaufladbare Akkus für handliche Videokameras, kabellose Telefone und Computer brauchten.

Akira Yoshino von der Asahi Kasei Corporation in Tokio und der Meijo University in Nagoya hatte nach eigener Aussage die richtige Nase für den Trend hin zu mobilen Geräten. Er entwickelte die erste kommerzielle Lithium-Ionen-Batterie im Jahr 1985.

Er nutzte Goodenoughs Kathodenmaterial, aber anstelle des explosiven metallischen Lithium für die Anode verwendete er das weitaus stabilere Petrolkoks. Dabei handelt es sich um ein auf Kohlenstoff basierendes Material, das aus Erdöl gewonnen wird und Lithium-Ionen aufnehmen und abgeben kann.

Das Ergebnis war ein leichter, robuster Akku, der sich hunderte Male auf- und entladen liess, bevor seine Leistung nachliess. 1991 kam diese revolutionäre Batterie auf den Markt und stiess eine Revolution an, die letztlich Smartphones, Tablets und Elektrofahrzeuge ermöglichte.

Der Vorteil des Lithium-Ionen-Akkus sei, dass er nicht auf chemischen Reaktionen beruhe, die die Elektroden langsam aber sicher verändern wie bei den meisten anderen Batterien. Auf- und Entladen beruht stattdessen auf dem Hin- und Herfliessen von Lithium-Ionen zwischen Anode und Kathode, schrieb das Nobelpreis-Komitee.

Seither wurde der Lithium-Ionen-Akku weiter verbessert, beispielsweise ersetzte Goodenough das Kobaltoxid durch Eisenphosphat, was die Akkus umweltfreundlicher macht. Eine Umweltbelastung stellt die Produktion der Batterien weiterhin dar. Allerdings habe ihre Entwicklung auch grosse Vorteile für die Umwelt gebracht, hielt das Nobel-Komitee fest. Sie legte beispielsweise die Basis für Elektromobilität und Senkung der CO2-Emissionen.

Weltweit arbeiten Forschende daran, noch bessere Materialien für Anode, Kathode und den Elektrolyt zu finden, durch den sich die Ionen bewegen. Bisher bleibt der Lithium-Ionen-Akku jedoch ungeschlagen.  Offiziell ausgezeichnet werden die Geehrten am 10. Dezember, dem Todestag von Preisstifter und Dynamit-Erfinder Alfred Nobel, in Stockholm.