Die Exxon-Forscher beginnen sich mit Tantaldisulfiden zu befassen. Sie finden heraus, dass sie die Temperatur, bei der das schichtförmige Material supraleitende Eigenschaften erhält, steuern können, indem sie verschiedene Atome oder Moleküle zwischen die Schichten einlagern – im Fachjargon: interkalieren.

Am besten gelingt das mit Kaliumionen. Es entsteht eine sehr stabile, besonders energiereiche Verbindung. Sobald die Ionen in die Matrix aus Tantaldisulfid interkalieren, werden einige Volt Strom frei, mehr als bei den damals bekannten Batterietypen. Damit rücken plötzlich leistungsfähige Energiespeicher in den Fokus des Interesses.

In der Folge testet Whittingham weitere Verbindungen: Als Elektronenspender für die Anode seiner Batterie wählt er schließlich Lithium. Das Alkalimetall ist äußerst reaktionsfreudig und gibt sehr leicht ein Elektron an Bindungspartner ab, ist aber weniger gefährlich als Kalium. An der Kathode, dem Pluspol, ersetzt er das schwere Tantaldisulfid durch leichteres Titandisulfid.

Der erste Prototyp einer Lithiumionenbatterie ist entstanden: ein wiederaufladbarer Akku, der etwas mehr als zwei Volt Spannung erzeugen konnte. Als Whittingham die neue Lithiumbatterie in der Konzernzentrale in New York vorstellt, fällt binnen einer Viertelstunde der Entschluss, ein marktfähiges Produkt daraus zu entwickeln. Auch andere Unternehmen wie General Motors oder Sohio sowie das US Argonne National Laboratory forschen zur gleichen Zeit an Lithium-basierten Batterien, doch Whittinghams Prototyp funktioniert als einziger auch bei Raumtemperatur.

Es gibt allerdings ein paar Probleme: Wiederholte Ladezyklen lassen an der Lithium-Elektrode feine Stacheln aus metallischem Lithium entstehen. Wachsen sie bis zum anderen Pol, kommt es zum Kurzschluss. Darauf folgt, was Chemiker vornehm als „thermisches Durchgehen“ umschreiben: eine Explosion. Im Whittingham-Labor ist die Feuerwehr so häufig im Einsatz, dass sie damit droht, ihm die teuren Speziallöschmittel für Lithiumbrände in Rechnung zu stellen.

Soweit kommt es jedoch nicht. Indem die Forscher das metallische Lithium in der Elektrode mit Aluminium versetzen und den Elektrolyten – die Flüssigkeit zwischen den beiden Elektroden – austauschen, bekommen sie das Problem langsam in den Griff. 1976 werden erste Akkus in kleinen Stückzahlen an einen Schweizer Uhrenhersteller verkauft, der damit seine Solaruhren antreibt.

Das Ende der Ölkrise Anfang der 1980er stoppt schließlich die Batterieforschung bei Exxon. Die Ölpreise verfallen dramatisch und lassen die Vision der Elektromobilität wieder in weite Ferne rücken. Exxon verliert das Interesse an Whittinghams Arbeiten und lizenziert die Ergebnisse an drei unterschiedliche Unternehmen in drei Teilen der Welt.

Den nächsten Entwicklungsschritt macht der zweite Preisträger: John Goodenough, 1922 als Sohn eines US-Professors im thüringischen Jena geboren, dann in der Nähe von New Haven, Connecticut, aufgewachsen. Dass er einmal den Nobelpreis erhalten würde, kann sich der Amerikaner in seiner Jugend kaum vorstellen: „Ich konnte nicht sehr gut lesen. Ich bin immer noch kein sehr guter Leser“, sagte er kürzlich in einem Interview.

Der junge Goodenough fühlt sich zur Welt der Zahlen hingezogen. Nach Ende seines Militärdienstes im Zweiten Weltkrieg will er Physik studieren – mit 24 Jahren. „Der Mitarbeiter in der Zulassungsstelle [der Universität] sagte zu mir: ‚Weißt du nicht, dass jeder, der etwas Interessantes in der Physik geleistet hat, es in deinem Alter bereits getan hatte? Und du willst anfangen?‘“ Goodenough will es, und wird schließlich zu einem der bedeutendsten Feststoffphysiker.

Mehrere Jahrzehnte arbeitet er am Lincoln-Labor des Massachusetts Institute of Technology (MIT), wo er grundlegende Arbeit für die Entwicklung von Computerspeichern leistet. Unter dem Eindruck der Ölkrisen wächst Goodenoughs Interesse an der Energieforschung. 1976 wechselt er schließlich als Professor für anorganische Chemie an die britische Universität Oxford, um sich ganz auf dieses Thema zu konzentrieren.

Zu dieser Zeit kennt Goodenough bereits die Arbeiten Whittinghams. Dank seiner Erfahrung in den Materialwissenschaften vermutet er, dass die Kathode eine höhere Spannung erzeugt, sobald das Titandisulfid durch ein Oxid ersetzt wird. Mit seiner Arbeitsgruppe macht er sich auf die Suche nach einem passenden Material: Es muss eine hohe Spannung liefern, wenn Lithiumionen interkalieren, soll aber zugleich so stabil sein, dass es nicht kollabiert, wenn die Ionen wieder entfernt werden. Fündig werden die Forscher beim Lithium-Kobaltoxid: Statt zwei Volt Spannung liefert seine Batterie vier Volt – doppelt so viel wie das Whittingham-Modell. 1980 beschreibt Goodenough das neue Konzept erstmals in einem Fachmagazin. Der US-Amerikaner ist auch der Erste, der erkennt, dass Batterien nicht im geladenen Zustand gefertigt werden müssen, wie das bisher immer gemacht wurde. Stattdessen ist es möglich, sie nach dem Zusammenbau zu laden.

Während das Interesse an alternativen Energiespeichern im Westen Anfang der 1980er-Jahre mit dem Ende der Ölkrisen erlahmt, liegen die Dinge in Asien anders: Dort setzen die aufstrebenden Elektronik-Unternehmen große Hoffnungen auf leistungsfähige und leichte Batterien. Sie sehen in ihnen die entscheidende Zutat, die Camcorder, Handys und Laptops zu Kassenschlagern machen kann.

Beim japanischen Elektronikkonzern Asahi Kasei erkennt der Ingenieur Akira Yoshino die neuen Möglichkeiten. „Ich habe einfach nur gespürt, in welche Richtung sich die Trends bewegen“, sagt der Nobelpreisträger später anlässlich der Auszeichnung.

Yoshino wird 1948 geboren und wächst in Japans zweitgrößter Stadt Osaka auf. Sein Interesse an Chemie weckt ein Lehrer in der vierten Klasse. Er stellt seinem Schüler das Buch „The Chemical History of a Candle“ vor, eine Sammlung von Vorträgen des britischen Chemikers Michael Faraday aus dem 19. Jahrhundert. Yoshino liest das Buch und ist begeistert: „Warum brennen Kerzen? Warum sind die Flammen gelb? Wofür sind die Dochte da? Ich dachte, das macht irgendwie Spaß“, erinnert er sich Jahrzehnte später auf einer Pressekonferenz.

Nach seinem Abschluss an der Universität Kyoto beginnt Yoshino bei Asahi Kasei ein Material namens Polyacetylen zu erforschen. Es kann Elektrizität leiten, obwohl es sich um eine organische Substanz handelt. Yoshino sucht nach einer Möglichkeit, Polyacetylen in einer Batterie als Anode zu verwenden, kann aber keinen geeigneten Stoff für die Kathode finden. 1983 stößt er auf einen Fachbeitrag, der Goodenoughs Lithium-Kobaltoxid als Kathodenmaterial vorstellt. Jahrzehnte später sagt Yoshino, dass er eine weitere entscheidende Idee, die später einmal zur Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien führen sollte, an einem seiner freien Nachmittage hatte, nach dem Aufräumen im Labor.

Anstatt Polyacetylen zu verwenden, baut er eine Anode auf Basis von Petrolkoks, einem Material auf Kohlenstoffbasis, das in der Ölindustrie als Nebenprodukt entsteht. Die Besonderheit des Materials liegt in seiner Struktur: Lithiumionen können in das Petrolkoks interkalieren und verändern es nicht. Damit steht der grundsätzliche Aufbau der ersten kommerziell erfolgreichen Lithiumionen-Batterie der Welt fest. Mit einer Elektrode aus Petrolkoks und einer aus Lithium-Kobaltoxid enthält die Batterie kein metallisches Lithium mehr. Ein entscheidender Sicherheitsgewinn. 1991 bringt Sony die Akkus auf den Markt.

An dieser Stelle endet jener Teil der Forschungsarbeiten zu den Lithiumionen-Batterien, für die Whittingham, Goodenough und Yoshino 2019 mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet wurden. Die Entwicklung der Batterie selbst aber ist keineswegs abgeschlossen. Auch die drei Nobelpreisträger forschen bis heute weiter an Verbesserungen – etwa an neuen Elektrodenmaterialien oder Konstruktionsprinzipien.

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