Wiederaufladbare Welt

In jeder Krise steckt bekanntlich eine Chance. Für den britischen Chemiker Stanley Whittingham war es die Ölkrise in den siebziger Jahren, der er den Durchbruch seiner bahnbrechenden Entdeckung verdankte: des ersten Lithium-Ionen-Akkus. Heute stecken die leistungsstarken wiederaufladbaren Stromquellen in jedem Smartphone und Laptop. Sie treiben Haushaltsgeräte und E-Autos an und speichern den aus Windkraft und Photovoltaik gewonnenen Strom. Ohne starke Batterien kein effektiver Klimaschutz, keine Energie- und keine Verkehrswende.

Wie viele Erdölkonzerne, so befürchtete auch Whittinghams damaliger Arbeitgeber Exxon Mobile 1973 das Ende des Ölbooms und den Einbruch von Gewinnen. Man dachte schon über Elektroautos nach, doch es fehlte an leistungsfähigen wiederaufladbaren Autobatterien. Die althergebrachten Bleibatterien waren dafür zu schwer und zu schwach. Da kam Wittinghams neues Akku-Konzept, das den Bau leichter und deutlich stärkerer Autobatterien versprach, gerade recht.

Explosive Akkus

Whittingham, der in Nottingham ge­boren wurde, in Oxford Chemie studierte und dort 1968 promovierte, hatte als Postdoc an der Stanford University schon Erfahrung mit Materialien ge­sammelt, die sich für den Bau von Batterien eigneten. Das kam ihm nun bei Exxon zugute. Seine besten Ergebnisse erzielte er mit einer positiven Elektrode aus Titansulfid, in die er Lithium-Ionen eingelagerte. Als er diesen Pluspol mit einer negativen Elektrode aus metallischem Lithium kombinierte, hatte er die erste Lithium-Ionen-Batterie ge­baut. Sein Prototyp war leicht und lieferte bereits mehr Spannung als jede andere damals bekannte Batterie. Sie ließ sich sogar wiederaufladen. Dazu musste man lediglich eine äußere Spannung anlegen.

Beim Aufladen wandern Lithiumionen (rote Kugeln) hinüber ins Graphit, eine blättrig strukturierte Form von Kohlenstoff, wo sie sich unter Aufnahme von Elektronen als neutrale Lithium-Atome einlagern. Bei der Entladung geben sie diese Elektronen wieder ab und wandern zurück in ihre Ausgangsverbindung, hier Lithium-Cobalt(III)oxid. Bild: F.A.Z.-Grafik Kaiser

Doch als Exxon mit der Produktion beginnen wollte, erlebte man eine böse Überraschung. Die ersten Modelle ex­plodierten im Betrieb. Die Ursache war metallisches Lithium, das sich beim mehrfachen Aufladen an der negativen Elektrode ablagerte und längliche Strukturen formte, die zu heftigen Kurzschlüssen führten. Whittingham gelang es, seine Stromquelle sicherer zu ma­chen, 1976 ließ er seine Erfindung pa­tentieren. Doch weil der Ölpreis inzwischen gefallen war, stellte Exxon die Fertigung des Akkus ein. Whittingham verließ das Unternehmen nach 14 Jahren und schlug eine Hochschulkarriere ein. 1988 wurde er zum Professor an die Binghamton University berufen.

Inzwischen hatten zwei andere Forscher, der amerikanische Physiker John Goodenough und der japanische Ingenieur Akira Yoshino, Whittinghams wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterie wei­terentwickelt. Die beiden Forscher konnten die Kinderkrankheiten mit besseren Elektrodenmaterialien beheben und die Zellspannung auf das Doppelte steigern. Die neuen Akkus konnten viele Male geladen werden und ließen sich in allen Größen fertigen. 1991 kamen schließlich die ersten Lithium-Akkus made in Japan auf den Markt, fast zeitgleich mit den ersten Smartphones, MP3-Playern und Laptops. Auch die ersten E-Autos ließen nicht lange auf sich warten.

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Rund vierzig Jahre nach seiner bahnbrechenden Arbeit wurde Stanley Whitthingham im Jahr 2019 – gemeinsam mit Goodenough und Yoshino – mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet. Wie seine beiden Kollegen forscht er trotz seines Alters noch immer an besseren Akkus. Die Kraftpakete sind seiner Meinung noch längst nicht ausgereizt. Heute wird Stanley Whittingham achtzig Jahre alt.