Grundstein der Elektromobilität Die Geschichte des Lithium-Ionen-Akkus

Dass mobile Elektronik massentauglich wurde, ist der Entwicklung des Lithium-Ionen-Akkus zu verdanken. Einer Erfindung, für die 2019 drei Wissenschaftler mit dem Chemie-Nobelpreis gewürdigt wurden. Dies ist die Geschichte des Li-Ionen-Akkus aus Sicht von Dr. Akira Yoshino, einem der drei Erfinder.

Mit der Verbreitung mobiler elektronischer Geräte wie dem Sony Walkman aus den 1970er Jahren kam der Wunsch nach leichten und kompakten wiederaufladbaren Akkus auf, die die nicht wieder aufladbaren Primärzellen ersetzen sollten. Lithium wurde frühzeitig als leistungsfähiges Anodenmaterial identifiziert. Die leichte Entflammbarkeit und die Anfälligkeit für Kurzschlüsse mit der Kathode stellten die Wissenschaft jedoch vor große Herausforderungen und verhinderte lange Zeit den praktischen Einsatz von Lithium-Ionen-Batterien.

Ein gutes Gespür für neue Entwicklungen

»In den 1980er Jahren gab es viel Forschung und Entwicklung im Bereich der tragbaren Elektronik. So wurden auch kleine und leichte Energiespeicher mit hoher Energiedichte und Wiederaufladbarkeit benötigt. Aber niemand wusste wirklich, welche Art von Akku genau gebraucht werden würde. Das große Schlagwort war zunächst tragbar, bald kamen dann die Aspekte kabellos und drahtlos hinzu. Ich habe nur irgendwie die Richtung geahnt, in die sich die Trends bewegten. Man könnte auch sagen, ich hatte eben einen guten Riecher«, berichtet Yoshino von diesen frühen Jahren.

Die frühe Forschungsarbeit

Die Ursprünge von Yoshinos Erfindung gehen in die 1970er Jahre zurück. Damals forschte er nach seinem Eintritt in das japanische Chemieunternehmen Asahi Kasei an elektrisch leitfähigen Polymeren.

Der Durchbruch gelang, als er den Wert der um diese Zeit herum entdeckten Eigenschaften von Polyacetylen und Lithium-Kobalt-Oxid erkannte: Der japanische Chemiker Hideki Shirakawa fand 1977 heraus, dass Polyacetylen leitfähig ist, während der amerikanische Physiker John Goodenough 1979 entdeckte, dass Lithium-Kobalt-Oxid an der Luft stabil bleibt. Yoshino bemerkte, dass die Verwendung einer Polyacetylen-Anode und einer Lithium-Kobalt-Oxid-Kathode seine Erfindung stabiler machen konnte als andere wiederaufladbare Batterien, die sich damals in der Entwicklung befanden.

Zufall gehört auch dazu

Geschichte machende Erfindungen entstehen auch durch Zufall. Es war Dezember 1982 und Yoshinos Arbeitsplatz wurde einer jährlichen Büroreinigung unterzogen. Yoshino nahm eine ausländische Forschungsarbeit zur Hand, die er vor einiger Zeit bestellt, aber noch nicht gelesen hatte. Beim Durchblättern stieß Yoshino auf einen überraschenden Fund: John B. Goodenough, Professor an der Oxford University, hatte 1980 in einem Paper geschrieben, dass ein Material namens Lithium-Kobaltoxid als starke positive Elektrode für wiederaufladbare Batterien dient. Das einzige Problem war, dass es keine negative Elektrode gab, die dazu passte.

Yoshino kam die Idee, Polyacetylen zu verwenden. Er las die Veröffentlichungen von Goodenough sehr sorgfältig, stellte selbst Lithium-Kobalt-Oxid her und kombinierte es mit dem Polymer. Es funktionierte. Er konnte die Batterie aufladen, und sie entlud die Elektrizität sanft. Damit war die Grundlage für den Lithium-Ionen-Akku gelegt.

Membran verringert Brandrisiko

Yoshino verwendete zudem eine dünne poröse Membran auf Polyethylen-Basis, die als Trennwand zwischen den Materialien fungiert. Diese Membran hat eine Sicherheitsfunktion: Sobald sie schmilzt, wird die Funktion des überhitzten Akkus gestoppt, bevor er in Brand geraten kann. Diese Membran, die das chemische Äquivalent einer Schmelzsicherung darstellt, wird heute immer noch eingesetzt, um das Brandrisiko für Lithium-Ionen-Akkus zu verringern.

Der erste wiederaufladbare Lithium-Ionen-Akku

Yoshino erfand eine völlig neue Kombination aus Kohlenstoff für die negative Elektrode und Lithiumkobaltoxid für die positive Elektrode. Er entwickelte die grundlegende Technik für Lithium-Ionen-Akkus, bei der Aluminium als positives Stromabnehmermaterial zum Einsatz kommt und stellte die weltweit erste Lithium-Ionen-Akku-Zelle her. Außerdem war der Forscher an Entwicklungen beteiligt, die für eine erfolgreiche Kommerzialisierung maßgeblich waren. So erarbeitete Yoshino unter anderem ein Verfahren zur Herstellung von Elektroden und eines zur Montage von Batterien.

Der erste wiederaufladbare Lithium-Ionen-Akku wurde 1983 hergestellt. Im Jahr 1985 reichte Asahi Kasei, Yoshinos Arbeitgeber, die japanische Patentanmeldung ein und begann mit der Vermarktung.

Innovationen verändern die Welt

Asahi Kasei lizenzierte das Lithium-Ionen-Akku-Patent von Yoshino an andere Unternehmen, darunter Sony, das die Technik 1991 auf den Markt brachte. »Meine Erfindungen haben zu vielen Patenten für mein Unternehmen geführt«, sagte Yoshino. »Die Patente sind nicht dazu da, andere fernzuhalten. Vielmehr lizenzieren wir unsere Patente, um verschiedene Hersteller zu ermutigen, unsere Technik zu nutzen. Einige meiner neuesten Innovationen adressieren Akkus in Elektrofahrzeugen – und diese werden die Welt hoffentlich erneut verändern.«

Längst hat der Lithium-Ionen-Akku für die rasche Verbreitung mobiler Elektronikgeräte gesorgt und stellt in der Elektromobilität auch für die Automobilindustrie eine wichtige Zukunftstechnologie dar. Der Weltmarkt für Lithium-Ionen-Batterien wird in diesem Jahr rund 40 Mrd. Euro betragen. Bis 2022 wird ein Anstieg auf etwa 60 Mrd. Euro erwartet.

 

Über das Leben von Dr. Akira Yoshino

Akira Yoshino wurde am 30. Januar 1948 in Fujisawa, Kanagawa-Präfektur, Japan geboren. Von 1970 an studierte er Chemie an der Universität Kyoto. Parallel zum Beginn seines Masterstudiums in Chemie begann er 1972 für Asahi Kasei zu arbeiteni. 2005 erwarb er seinen Doktorgrad in Ingenieurswissenschaften an der Universität Osaka.

Nach seinem Eintritt bei Asahi Kasei 1972 war Akira Yoshino langjähriger Mitarbeiter im Labor in Kawasaki, bevor er 1992 zum Leiter der Ionenbatterie-Entwicklungsabteilung ernannt wurde. Nach weiteren Stationen als Leiter der Ionenbatteriegruppe und der Entwicklungsabteilung für Batteriematerialien, wurde er 2005 Generaldirektor des nach ihm benannten Yoshino-Labors bei Asahi Kasei.

Seit 2010 ist Akira Yoshino Leiter des Lithium-Ion-Battery Technology and Evaluation Center (LIB-TEC). 2017 wurde er zum Professor des wissenschaftlich-technischen Kollegs der Meijo-Universität in Tokyo berufen. Im gleichen Jahr wurde er von Asahi Kasei zum Honorary Fellow ernannt.

Als ehrenamtlicher wissenschaftlicher Mitarbeiter von Asahi Kasei und Leiter des Lithium-Ion-Battery Technology and Evaluation Center (LIBTEC), ist Akira Yoshino auch im Ruhestand noch aktiv in die Weiterentwicklung der Lithium-Ionen Batterietechnik involviert.