Yoshino mit einer Batterie | dpa

Nobelpreis für Akku-Forschung Grundstein für eine wiederaufladbare Welt

Stand: 09.10.2019 17:16 Uhr

Lithium-Ionen-Akkus haben unsere Welt wiederaufladbar gemacht. Für ihre Beteiligung an diesem Fortschritt haben die Forscher Goodenough, Whittingham und Yoshino nun den Nobelpreis erhalten.

Von Uwe Gradwohl, SWR

Mobiltelefone, Laptops, Herzschrittmacher: Ohne Lithium-Ionen-Akkus wäre die Vielfalt an Mobilgeräten, wie wir sie heute ganz selbstverständlich nutzen, nicht denkbar. Auch moderne Elektrofahrzeuge verdanken ihre Reichweite dem - im Vergleich zu früheren Akku-Typen - geringen Gewicht der Lithium-Ionen-Akkus. Ihre hohe Speicherkapazität wird künftig eine große Rolle bei der Speicherung von Sonnen- und Windenergie spielen.

Der Grundstein für die Lithium-Ionen-Batterie wurde in den 1970er Jahren während der Ölkrise gelegt. Stanley Whittingham entwickelte aus Titandisulfid eine innovative Kathode. Zwischen den Molekülen dieses Materials ist ausreichend Platz, so können sich dort Lithiumionen einlagern.

Kobaltoxid brachte mehr Leistung

Doch die Anode - der Pluspol - der Batterie bestand noch aus metallischem Lithium. Dies führte zwar zu einer Akku-Zelle, die mit etwas mehr als zwei Volt eine hohe Spannung erzeugte, hatte aber auch einen großen Nachteil: Metallisches Lithium ist sehr reaktionsfreudig. Der Akku erwies sich schnell als zu explosiv.

John Goodenough sagte voraus, dass dieser neue Typ von Akkumulator eine noch höhere Spannung liefern könnte, wenn er unter Verwendung eines Metalloxids anstelle eines Metallsulfids hergestellt würde. Nach einer systematischen Suche konnte er 1980 tatsächlich nachweisen, dass Kobaltoxid mit eingelagerten Lithiumionen bis zu vier Volt Spannung erzeugen kann. Ein entscheidender Durchbruch, der zu viel leistungsstärkeren Batterien führte.

Auf der Grundlage von Goodenoughs Kathode schuf Akira Yoshino 1985 die erste kommerziell erhältliche Lithium-Ionen-Batterie. Die Anode bestand nun nicht mehr aus dem übermäßig reaktionsfreudigen Lithium. Stattdessen verwendete Yoshino Petrolkoks, ein Kohlenstoffmaterial, das ebenfalls die Fähigkeit besitzt, Lithium-Ionen einlagern zu können. Damit war das metallische Lithium komplett aus dem Akku verbannt. Die viel weniger reaktiven Lithium-Ionen waren sowohl in der Anode als auch in der Kathode eingelagert.

Gefahr einer unerwünschten Kettenreaktion

Das Ergebnis war ein leichter, strapazierfähiger Akku, der Hunderte Male aufgeladen werden konnte, bevor sich seine Leistung verschlechterte. Der Vorteil von Lithium-Ionen-Batterien besteht darin, dass sie nicht auf chemischen Reaktionen beruhen, die die Elektroden zerstören, sondern auf Lithium-Ionen, die zwischen Anode und Kathode hin und her fließen.

Die Lithium-Ionen-Akkus reagieren sehr empfindlich auf starke Aufladung und zu tiefe Entladung. Es besteht die Gefahr, dass es zu einer unerwünschten Kettenreaktion kommt, an deren Ende der Akku in Brand gerät. Um den Akku immer in seiner "Komfortzone" zu betreiben und unerwünschte Kettenreaktionen zu verhindern, wurden deshalb elektronische Schutzschaltungen entwickelt, die oft schon in die Akku-Packs integriert sind.

Nach Berechnungen der Risikoanalyse-Firma Global Data soll sich die Lithium-Produktion bis 2022 verdreifachen. Doch der großflächige Abbau hat Folgen für Umwelt und Menschen. Der Salzsee Salar de Uyuni im Südwesten Boliviens beherbergt beispielsweise eines der größten Lithium-Vorkommen weltweit.

Doch er ist auch Lebensraum der vom Aussterben bedrohten Andenflamingos. Außerdem verbraucht der Abbau von Lithium viel Wasser. Das hat Folgen für den Grundwasserspiegel in den betroffenen Regionen und insbesondere für indigene Gemeinschaften, die in einer sowieso trockenen Region rund um die Salzseen Landwirtschaft betreiben.

Über dieses Thema berichtete die tagesschau am 09. Oktober 2019 um 12:00 Uhr.