Nobelpreis für Chemie
Lithium-Ionen-Batterie: Der Clou steckt in den Materialien

Auch vor dem Lithium-Ionen-Akku gab es bereits wiederaufladbare Batterien und es gibt sie bis heute. Die Funktionsweise ist prinzipiell die gleiche, der Clou hinter dem Siegeszug der Nobelpreis-gewürdigten Entwicklung steckt in den Materialien.
Publiziert: 09.10.2019 um 17:12 Uhr
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Aktualisiert: 10.10.2019 um 10:50 Uhr
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Vanessa Wood sucht in ihrer Forschung nach Wegen, wie sich die elektrischen und optischen Eigenschaften von Nanomaterialien verbessern lassen

«Der Schlüssel zur Entwicklung der Lithium-Ionen-Batterie war die Entdeckung von Stoffen, die Lithium-Ionen über lange Zeiträume speichern können», erklärte Vanessa Wood von der ETH Zürich im Gespräch mit der Nachrichtenagentur Keystone-SDA. Trotz zahlreicher Weiterentwicklungen der Lithium-Ionen-Akkus haben viele der heute verwendeten Materialien sehr ähnliche Eigenschaften wie die von den frisch gekürten Nobelpreisträgern entdeckten.

Nobelpreis 2020

Das Nobelkomitee verkündet jedes Jahr Preisträger. Bahnbrechende Entdeckungen gibt es zuhauf. Alles Wissenswerte dazu erfahren Sie auf BLICK.

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Warum ist Lithium ein spannendes Material für Batterien?

Lithium hat den Vorteil, sehr leicht Elektronen abzugeben. Wird die Batterie an ein Gerät oder eine Glühbirne angeschlossen, geben Lithium-Atome an der Anode (Pluspol) je ein Elektron ab. Es bleiben positiv geladene Lithium-Ionen zurück. Diese wandern angezogen von der negativen Elektrode (Minuspol oder Kathode) durch den Elektrolyt zum Minuspol. Die Elektronen nehmen den «Umweg» durch einen angeschlossenen Stromkreis und bringen beispielsweise die Glühbirne zum Leuchten.

Die grosse Errungenschaft der Lithium-Ionen-Batterie war ihr geringes Gewicht bei gleichzeitig hoher Kapazität, erklärte Wood. Die von Stanley Whittingham, John Goodenenough und Akira Yoshino entwickelten Materialien ebneten den Weg für die Entwicklung weiterer Batteriematerialien.

Batterien werden ständig weiterentwickelt

Auch heute noch sind zahlreiche Forschungsgruppen weltweit daran, Batteriematerialien zu erforschen und weiter zu entwickeln. So auch in der Schweiz. Beispielsweise arbeitet Vanessa Wood mit ihrem Team daran, die Leistungsfähigkeit und Ladegeschwindigkeit von Lithium-Ionen-Batterien zu verbessern.

«2015 war noch die Mehrheit der weltweit produzierten Batterien für Unterhaltungselektronik bestimmt, also Smartphones, Tablets und so weiter. In den letzten Jahren steigt jedoch der Bedarf für Elektrofahrzeuge und Stromspeicher für erneuerbare Energien», so Wood. Das bringe neue Anforderungen mit sich: Die Lebensdauer von Batterien müsse für den Einsatz in Fahrzeugen verlängert und das Aufladen schneller werden.

Frage des Recyclings

Eine weitere Herausforderung sei das Recycling: «Hier müssen die Technologien besser werden. Das Recycling für Bleiakkus, wie sie als Starterbatterie in Autos eingesetzt werden, ist bereits sehr effizient. Für Lithium-Ionen-Batterien war es bisher günstiger, die Rohstoffe neu zu schürfen als sie zu recyclen.» Das werde sich dank Weiterentwicklungen in den nächsten Jahren vermutlich ändern.

(SDA)

Chemie-Nobelpreisträger in der Übersicht

Die seit 1901 verliehenen Chemie-Nobelpreise gingen vor allem an amerikanische Forscher. Die erste Auszeichnung erhielt der Niederländer Jacobus van't Hoff für die Entdeckung von Gesetzen der Osmose.

Die Preisträger der vergangenen zehn Jahre sind:

  • 2020: Der Chemie-Nobelpreis 2020 geht an die Französin Emmanuelle Charpentier und die US-Amerikanerin Jennifer Doudna. Sie sind die Entdeckerinnen der Genschere Crispr/Cas9 und revolutionierten damit das Bearbeiten von Genen.
  • 2019: John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham und Akira Yoshino erhalten den Preis für ihre Beiträge zur Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien.
  • 2018: Die US-Amerikanerin Frances Arnold, ihr Landsmann George Smith und der Brite Gregory Winter haben Methoden entwickelt, mit denen es möglich ist, etwa Biokraftstoffe, Arzneimittel und therapeutisch wirkende Antikörper umweltfreundlich herzustellen.
  • 2017: Der Schweizer Jacques Dubochet, der Deutsch-Amerikaner Joachim Frank und der Brite Richard Henderson für die Kryo-Elektronenmikroskopie. Damit lassen sich Biomoleküle im Detail untersuchen - sie zeigt etwa dreidimensionale Bilder von Proteinen.
  • 2016: Der Franzose Jean-Pierre Sauvage, der gebürtige Brite James Fraser Stoddart und der Niederländer Bernard Feringa. Sie bauten aus nur wenigen Molekülen etwa künstliche Muskeln und ein Mini-Auto.
  • 2015: Tomas Lindahl (Schweden), Paul Modrich (USA) und Aziz Sancar (USA/Türkei), die Erbgut-Reparatursets beschrieben hatten. Diese Erkenntnisse dienen unter anderem zur Suche nach Krebsmedikamenten.
  • 2014: Der Deutsche Stefan Hell sowie die US-Amerikaner Eric Betzig und William Moerner für die Erfindung superauflösender Mikroskope. Damit kann man in lebende Zellen blicken und Abläufe bei Krankheiten wie Alzheimer oder Parkinson beobachten.
  • 2013: Martin Karplus (USA/Österreich), Michael Levitt (USA/Grossbritannien) und Arieh Warshel (USA/Israel) für Methoden, mit denen sich auch komplexe chemische Reaktionen virtuell nachvollziehen lassen.
  • 2012: Robert Lefkowitz und Brian Kobilka aus den USA für die Entdeckung von Rezeptoren, die zahlreiche Signale von aussen in die Körperzellen übermitteln.
  • 2011: Dan Shechtman (Israel), der Quasikristalle entdeckt hatte, die zuvor von vielen Chemikern für unmöglich gehalten wurden.
  • 2010: Richard Heck (USA) sowie die Japaner Ei-ichi Negishi und Akira Suzuki, die komplexe Substanzen aus Kohlenstoff herstellten. Sie bauten so unter anderem natürliche Wirkstoffe gegen Krebs nach.
  • 2009: Venkatraman Ramakrishnan (Grossbritannien), Thomas Steitz (USA) und Ada Jonath (Israel) für die Erforschung der Eiweissfabriken in biologischen Zellen, der Ribosomen.

Alle Schweizer Chemie-Nobelpreisträger:

  • 2017: Jacques Dubochet für das von ihm entwickelte Verfahren der Kryo-Elektronenmikroskopie.
  • 2002: Kurt Wüthrich für seine bahnbrechenden Arbeiten zur Strukturaufklärung von Proteinen mittels kernmagnetischer Resonanzspektroskopie.
  • 1991: Richard Ernst für seine bahnbrechenden Beiträge zur Entwicklung der hochauflösenden magnetischen Kernresonanz-Spektroskopie (NMR).
  • 1975: Vladimir Prelog (geboren in Bosnien/Herzegowina, Schweizer seit 1959) für seine Arbeiten über die Stereoisomerie von organischen Molekülen.
  • 1953: Hermann Staudinger (gebürtiger Deutscher, Schweizer seit 1920) «für seine Entdeckungen auf dem Gebiet der makromolekularen Chemie».
  • 1939: Leopold Ru?i?ka (geboren in Kroatien/Slawonien, seit 1917 Schweizer) für seine Arbeiten über Polymethylene und höhere Terpenverbindungen.
  • 1937: Paul Karrer. Er enträtselte die chemische Struktur von Pflanzenfarbstoffen und Vitaminen. Und er zeigte, wie im Körper aus dem Rüebli-Farbstoff Beta-Carotin Vitamin A entsteht.
  • 1913: Alfred Werner (gebürtiger Elsässer, seit 1895 Schweizer) «auf Grund seiner Arbeiten über die Bindungsverhältnisse der Atome im Molekül, wodurch er ältere Forschungsgebiete geklärt und neue erschlossen hat, besonders im Bereich der anorganischen Chemie».

Die seit 1901 verliehenen Chemie-Nobelpreise gingen vor allem an amerikanische Forscher. Die erste Auszeichnung erhielt der Niederländer Jacobus van't Hoff für die Entdeckung von Gesetzen der Osmose.

Die Preisträger der vergangenen zehn Jahre sind:

  • 2020: Der Chemie-Nobelpreis 2020 geht an die Französin Emmanuelle Charpentier und die US-Amerikanerin Jennifer Doudna. Sie sind die Entdeckerinnen der Genschere Crispr/Cas9 und revolutionierten damit das Bearbeiten von Genen.
  • 2019: John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham und Akira Yoshino erhalten den Preis für ihre Beiträge zur Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien.
  • 2018: Die US-Amerikanerin Frances Arnold, ihr Landsmann George Smith und der Brite Gregory Winter haben Methoden entwickelt, mit denen es möglich ist, etwa Biokraftstoffe, Arzneimittel und therapeutisch wirkende Antikörper umweltfreundlich herzustellen.
  • 2017: Der Schweizer Jacques Dubochet, der Deutsch-Amerikaner Joachim Frank und der Brite Richard Henderson für die Kryo-Elektronenmikroskopie. Damit lassen sich Biomoleküle im Detail untersuchen - sie zeigt etwa dreidimensionale Bilder von Proteinen.
  • 2016: Der Franzose Jean-Pierre Sauvage, der gebürtige Brite James Fraser Stoddart und der Niederländer Bernard Feringa. Sie bauten aus nur wenigen Molekülen etwa künstliche Muskeln und ein Mini-Auto.
  • 2015: Tomas Lindahl (Schweden), Paul Modrich (USA) und Aziz Sancar (USA/Türkei), die Erbgut-Reparatursets beschrieben hatten. Diese Erkenntnisse dienen unter anderem zur Suche nach Krebsmedikamenten.
  • 2014: Der Deutsche Stefan Hell sowie die US-Amerikaner Eric Betzig und William Moerner für die Erfindung superauflösender Mikroskope. Damit kann man in lebende Zellen blicken und Abläufe bei Krankheiten wie Alzheimer oder Parkinson beobachten.
  • 2013: Martin Karplus (USA/Österreich), Michael Levitt (USA/Grossbritannien) und Arieh Warshel (USA/Israel) für Methoden, mit denen sich auch komplexe chemische Reaktionen virtuell nachvollziehen lassen.
  • 2012: Robert Lefkowitz und Brian Kobilka aus den USA für die Entdeckung von Rezeptoren, die zahlreiche Signale von aussen in die Körperzellen übermitteln.
  • 2011: Dan Shechtman (Israel), der Quasikristalle entdeckt hatte, die zuvor von vielen Chemikern für unmöglich gehalten wurden.
  • 2010: Richard Heck (USA) sowie die Japaner Ei-ichi Negishi und Akira Suzuki, die komplexe Substanzen aus Kohlenstoff herstellten. Sie bauten so unter anderem natürliche Wirkstoffe gegen Krebs nach.
  • 2009: Venkatraman Ramakrishnan (Grossbritannien), Thomas Steitz (USA) und Ada Jonath (Israel) für die Erforschung der Eiweissfabriken in biologischen Zellen, der Ribosomen.

Alle Schweizer Chemie-Nobelpreisträger:

  • 2017: Jacques Dubochet für das von ihm entwickelte Verfahren der Kryo-Elektronenmikroskopie.
  • 2002: Kurt Wüthrich für seine bahnbrechenden Arbeiten zur Strukturaufklärung von Proteinen mittels kernmagnetischer Resonanzspektroskopie.
  • 1991: Richard Ernst für seine bahnbrechenden Beiträge zur Entwicklung der hochauflösenden magnetischen Kernresonanz-Spektroskopie (NMR).
  • 1975: Vladimir Prelog (geboren in Bosnien/Herzegowina, Schweizer seit 1959) für seine Arbeiten über die Stereoisomerie von organischen Molekülen.
  • 1953: Hermann Staudinger (gebürtiger Deutscher, Schweizer seit 1920) «für seine Entdeckungen auf dem Gebiet der makromolekularen Chemie».
  • 1939: Leopold Ru?i?ka (geboren in Kroatien/Slawonien, seit 1917 Schweizer) für seine Arbeiten über Polymethylene und höhere Terpenverbindungen.
  • 1937: Paul Karrer. Er enträtselte die chemische Struktur von Pflanzenfarbstoffen und Vitaminen. Und er zeigte, wie im Körper aus dem Rüebli-Farbstoff Beta-Carotin Vitamin A entsteht.
  • 1913: Alfred Werner (gebürtiger Elsässer, seit 1895 Schweizer) «auf Grund seiner Arbeiten über die Bindungsverhältnisse der Atome im Molekül, wodurch er ältere Forschungsgebiete geklärt und neue erschlossen hat, besonders im Bereich der anorganischen Chemie».
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