Wissenschaftler der Universität Paderborn ordnet Forschung ein
Am Mittwoch, 9. Oktober, wurden die diesjährigen Nobelpreisträger für Chemie bekanntgegeben: Prof. Dr. John Goodenough, Prof. Dr. Stanley Whittingham und Prof. Dr. Akira Yoshino wurden für ihre Beiträge auf dem Gebiet der Batterieentwicklung ausgezeichnet. In der Begründung heißt es, ihre Arbeit habe die Grundlagen für Lithium-Ionen-Akkus geschaffen. Der Preis wird von der Königlich Schwedischen Akademie der Wissenschaften vergeben und ist mit umgerechnet rund 830.000 Euro dotiert. Was es damit konkret auf sich hat, weiß Prof. Dr. Michael Tiemann, Chemiker an der Universität Paderborn.
Aus unserem Alltag kaum noch wegzudenken, findet die Lithium-Ionen-Batterie u. a. in elektronischen Geräten wie Handys oder Laptops Anwendung. Prof. Tiemann erklärt, was die Teilchen so besonders macht: „Das positiv geladene Lithium-Ion ist sehr klein und dadurch sehr beweglich. Es kann in der Batterie leicht zwischen der Anode – dem Minuspol – und der Kathode – dem Pluspol – hin- und herwandern. Beim Laden der Batterie bewegt es sich in Richtung Anode und beim Entladen zur Kathode“. Als Kathodenmaterialien werden unterschiedliche Metalloxide verwendet. „In diese Oxide können die Lithium-Ionen leicht ‚chemisch eingebaut‘ werden. Später, beim Laden der Batterie, werden sie wieder ‚ausgebaut‘“, so der Wissenschaftler. Durch die Wahl geeigneter Metalloxide lasse sich insbesondere die Zellspannung der Batterie erheblich steigern, so Prof. Tiemann weiter.
„Die Entwicklung des Prinzips des chemischen Ein- und Ausbaus von Lithium-Ionen in solchen Kathodenmaterialien und die systematische Suche nach den dafür am besten geeigneten Metalloxiden war die Leistung von Whittingham und Goodenough in den 1970er und 80er Jahren“, sagt Tiemann und ergänzt: „Yoshino entwickelte wenig später die erste kommerziell verfügbare Lithium-Ionen-Batterie, indem er den Aufbau der Anode durch Verwendung geeigneter Kohlenstoff-Materialien wesentlich verbesserte“.
Das chemische Element Lithium sei ein besonders unedles Metall, wodurch es sich für die Verwendung in Batterien gut eigne, so Prof. Tiemann. Es zeichne sich außerdem durch seine geringe Masse aus: „Lithium ist das leichteste Metall und das drittleichteste Element im Periodensystem“, erklärt der Wissenschaftler. Deshalb werde in Lithium-Ionen-Batterien eine hohe Energiedichte, also die Menge der speicherbaren Energie pro Gewicht, erzielt. Denkbar sei aber auch, dass Lithium in künftigen Batterie-Generationen durch andere Elemente ersetzt würde. Derzeit würden u. a. Magnesium-basierte Batterien erforscht. Da das Element auf der Erde relativ häufig vorkomme, ließen sich auf diese Weise unter Umständen auch mögliche Probleme lösen, die sich aus der begrenzten Verfügbarkeit des Lithiums ergeben.
Anwendung finden die leichten und leistungsstarken Batterien auch bei Elektro-Fahrzeugen. Weil sie große Mengen an Solar- und Windenergie speichern können, leisten sie außerdem einen Beitrag für den Klimaschutz. „Gerade im Moment ist das ein viel beachteter und zunehmend wichtiger gesellschaftlicher Aspekt“, so Prof. Tiemann.
Nina Reckendorf, Stabsstelle Presse und Kommunikation, Prof. Dr. Michael Tiemann, Anorganische Chemie
