Fünfzig Jahre später: Die unwahrscheinliche Geburt des Lithiums

Charles Murray | 04. November 2022

Im Herbst 1972 brauchte Stanley Whittingham nur drei Monate, um das Konzept für die Batterie zu entwickeln, die die Welt veränderte. Whittingham, ein 31-jähriger Chemiker mit Oxford-Ausbildung, glaubte, eine technische Revolution am Horizont zu sehen.

Fünfzig Jahre später klingt die Geschichte von der Geburt seiner Batterie unwahrscheinlich. Whittingham war jung, hatte gerade ein Postdoc-Programm an der Stanford University abgeschlossen und arbeitete für die Exxon Corp. in New Jersey. Ironischerweise würde sein Batteriekonzept Exxon nicht nützen. Zu den ersten Anwendungen gehörten Camcorder, Laptops und Mobiltelefone, von denen keines über eine Fernverbindung zu Exxon verfügte. Später sollte sein Konzept Elektroautos auf der ganzen Welt antreiben und als direkter Konkurrent des Öls von Exxon dienen. Rückblickend erscheint es unmöglich, dass Exxon eine solche Forschung hätte unterstützen können. Aber es geschah.

Whittinghams Arbeit bei Exxon ging rasant voran. Er trat dem Unternehmen im September 1972 bei und begann innerhalb weniger Wochen mit der Arbeit an einem Konzept, das er in Stanford studiert hatte. Das Konzept bestand darin, Ionen in das Atomgitter bestimmter Metalle einzufügen und diese Ionen dann zu extrahieren. Es wurde Interkalation genannt (ausgesprochen „in-TURK-a-lay-shun“). „Ich sagte: ‚Hey, wir können hier Energie speichern“, erinnert er sich in dem Buch „Long Hard Road: The Lithium-Ion Battery and the Electric Car“. „Und da kamen wir zu elektrochemischen Studien und dann zu Batterien.“

Er beschloss, eine Batterie mit Interkalationsmaterialien an beiden Elektroden zu bauen. Zunächst dachte er über verschiedene Schichtverbindungen nach und wählte Titan für die Kathode der Batterie. Dann kam die Entscheidung, die die Geschichte der Wissenschaft veränderte. Als Anode untersuchte er zunächst Kalium, kam aber zu dem Schluss, dass es zu gefährlich sei. Bald entschied er sich für ein weiches, silbriges, leichtes Metall: Lithium. Letztendlich würde er Lithium in der Anode der Batterie und dann im Elektrolyten verwenden. Die Ergebnisse waren erstaunlich. Während die besten Batterien der damaligen Zeit mit 1,3 Volt betrieben wurden, bot diese neue Batterie 2,4 Volt. Und dank der Wissenschaft der Interkalation war es wiederaufladbar. Funktionierende Versionen der Lithium-Titan-Disulfid-Batterie von Whittingham wurden im Dezember 1972 fertiggestellt.

Einen Monat später wurde Whittingham von Exxon-Konzernmanagern in ihre New Yorker Büros gerufen. „Ich wurde gebeten, mit einem Unterausschuss des Exxon-Vorstands zu sprechen und zu erklären, was ich tat“, erinnerte sich Whittingham. „Jemand in der Forschung hatte ihnen gesagt, was los war“, sagte er in Long Hard Road. „Also bin ich da reingegangen und habe es erklärt – fünf Minuten, höchstens zehn. Und innerhalb einer Woche haben sie beschlossen, ja, sie wollten darin investieren.“

Dass Exxon in eine Technologie hätte investieren sollen, die mit Öl konkurrieren würde, erscheint jetzt unglaublich. Doch 1972 war die Welt eine andere. Damals herrschte wissenschaftlicher Konsens darüber, dass der Erde in 50 Jahren das Öl ausgehen würde. Wissenschaftler sagten, dass die Ölverfügbarkeit bis zum Jahr 2000 erheblich sinken würde. Darüber hinaus war die Unternehmensforschungskultur im Jahr 1972 eine andere. Große Unternehmen, wie etwa Exxon, glaubten fest an das Konzept der Grundlagenforschung – Wissenschaft um der Wissenschaft willen. Wissenschaftliche Arbeiten und Patente waren das Ziel. Sollte es zu einem Durchbruch kommen, ging man davon aus, dass das Unternehmen herausfinden würde, wie es davon profitieren könnte.

Dies war bei Whittingham der Fall. Er wurde ermutigt, weiterzumachen. Er tat dies und Exxon meldete 1973 in Belgien ein Patent an. Als 1973 in den Vereinigten Staaten eine Ölkrise ausbrach, wuchs bei Exxon das Gefühl der Dringlichkeit. Im Jahr 1975 meldeten seine Anwälte eine Flut von US-Patenten für Whittinghams Batterie an.

Allerdings hieß die Batterie von Whittingham weder Lithium-Ionen, noch nutzte sie die gleiche Chemie wie die heutigen Produkte. Es funktionierte jedoch nach demselben grundlegenden Mechanismus: Lithiumionen, die in eine Wirtselektrode eingebracht wurden. Eine winzige Knopfzellenversion der Batterie wurde hergestellt und in einer „ewigen Solararmbanduhr“ eingesetzt, die von einem Schweizer Unternehmen, Ebauches SA, verkauft wurde. Dort hat es perfekt gedient. Darüber hinaus war es fast unmöglich, beim Anblick dieser neuen Batterie nicht an eine mögliche Zukunft in einem Elektroauto zu denken.

Dennoch verlor Exxon langsam das Interesse an der Lithium-Titan-Disulfid-Batterie. Die Ölkrise ließ nach, die Anwendung von Armbanduhren galt als unbedeutend und die Prioritäten der Unternehmen änderten sich. Letztendlich beschlossen die Manager des Unternehmens, die Technologie zu verkaufen. Die Batterie wurde an drei Unternehmen lizenziert – eines in Asien, eines in Europa und eines in den USA. „Es gab nicht viele Diskussionen“, sagte Whittingham Jahre später. „Eines Tages sagten sie einfach: ‚Wir werden damit aufhören.‘“

Aber die wiederaufladbare Lithiumbatterie war nicht leer. 1980 verbesserte John Goodenough, ein 58-jähriger Amerikaner, der an der Universität Oxford in England arbeitete, Whittinghams Batterie mit einer neuen Kathode. Goodenoughs Kathode hieß Lithiumkobaltoxid und lieferte erstaunliche vier Volt. Jetzt war der Akku noch besser – energiereicher und dennoch wiederaufladbar. Auf dem kommerziellen Markt gab es nichts Vergleichbares.

John Goodenough war 2019 Mitgewinner des Nobelpreises für Chemie für seine Entwicklung der Lithium-Kobaltoxid-Batterie. Mit 97 Jahren war Goodenough der älteste Nobelpreisträger aller Zeiten. Derzeit arbeitet er als Professor für Maschinenbau, Materialwissenschaften und Elektrotechnik an der University of Texas.

Als Goodenough jedoch Batteriehersteller in Großbritannien, den USA und dem europäischen Festland kontaktierte, fand er keine Interessenten. Die Welt, so schien es, wollte die wiederaufladbare Lithiumbatterie nicht. Sogar sein Arbeitgeber, die Universität Oxford, weigerte sich, für ein Patent zu bezahlen. Um Patentschutz zu erhalten, musste Goodenough zu einem Regierungslabor im nahegelegenen Harwell, England, reisen und seine Rechte an der Erfindung abgeben. Das Harwell-Labor patentierte die Technologie. Dann lag das Patent brach.

Jahre später erhielt das Harwell-Labor jedoch einen unerwarteten Anruf von Sony Corp. aus Japan, der eine Lizenzvereinbarung für ein Patent besprechen wollte, das seit acht Jahren verstaubt war. Der Anruf überraschte alle im Labor. Die Wissenschaftler des Labors konnten sich zunächst nicht vorstellen, welches Patent das Interesse geweckt hatte. Bald wurde ihnen klar, dass Sony ein altes Patent mit dem Titel „Elektrochemische Zelle mit schnellen Ionenleitern“ zitierte. Es war John Goodenoughs Patent.

Sony-Ingenieure wollten das Patent, weil sie Batterien für ihren neuen Camcorder namens Handycam bauen wollten. Sie argumentierten, dass die Handycam durch den Einsatz der wiederaufladbaren Lithiumzelle ein geringeres Gewicht und eine längere Laufzeit bieten könnte. Ihr Plan bestand darin, die Kobaltoxidkathode von Goodenough zu verwenden und sie mit einer von Asahi Chemical in Japan entwickelten Petrolkoksanode zu koppeln.

Endlich war die wiederaufladbare Lithiumbatterie unterwegs. Sony nannte ihn Lithium-Ionen-Akku, verwendete ihn in der Handycam und brachte ihn ab 1991 auf den Markt. Bald wurde der Akku in Laptops und Mobiltelefonen eingesetzt. Im Jahr 1998 baute Nissan Motor Co. Lithium-Ionen in ein Elektroauto in limitierter Auflage namens Altra ein und begann, größere Pläne zu schmieden. Andere Autohersteller folgten, und die Lithium-Ionen-Batterie entwickelte sich zu einem wachsenden Geschäft mit einem Jahresumsatz von 30 Milliarden US-Dollar.

Weder Whittingham noch Goodenough verdienten Geld mit ihren Erfindungen. Goodenough übertrug 1980 die Rechte an seiner Lithium-Kobaltoxid-Chemie, was es ihm unmöglich machte, persönlich davon zu profitieren. Whittinghams Lithiumtitandisulfid wurde nur in der Ebauches-Armbanduhr und nie für andere Anwendungen verwendet.

Im Jahr 2019 waren beide Wissenschaftler zusammen mit Akira Yoshino, der die Petrolkoksanode für Asahi Chemical in Japan mitentwickelte, Mitgewinner des Nobelpreises für Chemie. Zu diesem Zeitpunkt waren seit Whittinghams Erfindung 47 Jahre und seit Goodenoughs Entwicklung 39 Jahre vergangen.

Akira Yoshino, der die Petrolkoksanode für die Lithium-Ionen-Batterie entwickelte, war Mitgewinner des Nobelpreises für Chemie 2019.

Auf seinem Schreibtisch steht eine Solaruhr, die von einer Lithium-Titan-Disulfid-Batterie angetrieben wird. Er baute die Uhr 1977. Sie ist noch heute in Betrieb. Seine Uhr ist die einzige verbleibende Anwendung, die diese spezielle Chemie nutzt.

Heute sagt er, er verstehe, warum seine Chemie in den 1970er-Jahren keinen großen kommerziellen Aufsehen erregte. „Der Markt (für Batterien) war einfach nicht groß genug“, sagte er in Long Hard Road. „Unsere Erfindung war einfach zu früh.“

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