Am Laptop arbeiten, mit dem Smartphone nach dem Weg suchen, einen E-Scooter oder ein Hybrid-Auto zur Arbeit nehmen, mit der Digitalkamera fotografieren: Für all das brauchen Menschen heute Lithium-Ionen-Akkus. Die Energiespeicher haben vor knapp 30 Jahren den Grundstein für eine andere Welt gelegt. Eine, die mobiler ist als je zuvor und umweltfreundlicher werden soll. Das, befand das Nobelpreiskomitee am Mittwoch, verdient den Chemienobelpreis. Dabei könnte die Ära der noch allgegenwärtigen Stromspender in absehbarer Zukunft zu Ende gehen.

Ihre Entwickler, John Goodenough, Stanley Whittingham und Akira Yoshino, lebten schon zu einer Zeit, als Batterien schwer und schwach waren. So schwer, wie es heute noch Autobatterien aus Blei sind. Stück für Stück entwickelten sie daher eine Batterie, die leicht ist, viel Energie speichert und lange hält. Das Ergebnis war erst eine reine Lithium-, dann eine Lithium-Ionen-Batterie. Letztere stecken mittlerweile nicht nur in fast allen technischen Geräten und E-Autos. Auf ihnen lässt sich auch Energie speichern, die aus erneuerbaren Quellen kommt. Selbst wenn die Sonne nicht scheint und der Wind nicht weht, gewährleisten sie, dass Strom aus der Steckdose kommt – ohne dass ein Kraftwerk dafür rund um die Uhr Kohle verfeuern müsste.

Gibt gern Elektronen ab: Lithium

Ganz am Anfang der Entwicklung stand die Einsicht, dass Lithium das perfekte Material für eine Batterie ist. Es ist das leichteste Metall überhaupt und gibt sehr gern Elektronen ab. Wenn Elektronen wandern, entsteht eine Spannung, Strom fließt. Entsprechend sind Batterien aufgebaut: Sie haben einen Plus- und einen Minuspol, die voneinander getrennt sind, und zwischen denen sich eine Elektrolytflüssigkeit befindet. Werden die beiden Pole miteinander verbunden, etwa weil sie an ein Elektrogerät angeschlossen werden, lösen sich am Minuspol durch chemische Reaktionen negativ geladene Elektronen und laufen zum Pluspol. Beim Laden der Batterie passiert das Gegenteil, die Elektronen wandern zurück zum Minuspol.

Der englisch-amerikanische Chemiker Stanley Whittingham war der Erste, der 1976 eine funktionierende Lithiumbatterie baute (Science: Whittingham). Er wählte das Leichtmetall für seinen Minuspol, der Pluspol bestand letztlich aus Titandisulfid. Das Material bestand aus dünnen Lagen, zwischen die sich die Elektronen des Lithiums selbst bei Zimmertemperatur perfekt quetschen konnten. Whittinghams Arbeitgeber, der Ölkonzern Exxon, der damals wegen steigender Ölpreise nach einem anderen Energiespeicher suchte, war beeindruckt von der Entdeckung – bis die Batterien während der Produktion zu explodieren begannen.

Der Grund: Wie die Äste eines Baumes Richtung Sonne wuchs das Lithium durch die Elektrolytlösung vom Minus- zum Pluspol, bis es die Barriere zwischen den Polen durchbrach. Plötzlich gab es eine direkte Verbindung zwischen Plus- und Minuspol, die Batterien schlossen sich kurz.

Whittingham und andere veränderten die Elektrolytlösung und bauten etwas Aluminium in den Lithium-Minuspol ein. Das half, aber wirklich zufrieden war kaum jemand. Auch John Goodenough nicht. Der in Jena geborene Forscher mit amerikanischen Eltern war Ende der Siebzigerjahre Professor für anorganische Chemie an der Uni Oxford. Er forschte an einer Stoffverbindung für den Pluspol der Batterie, die noch mehr elektrische Spannung versprach, und wurde fündig. Eine Verbindung aus Lithium und oxidiertem Kobalt funktionierte derart gut, dass sich die Spannung der Batterie auf vier Volt verdoppelte (Material Research Bulletin: Goodenough et al., 1980). Außerdem stellte Goodenough fest, dass er die Batterie nicht im geladenen Zustand herstellen musste – ein klarer Vorteil für die Herstellung.