Erinnerung an Lithium

Nobelpreisträger John B. Goodenough, einer der Erfinder der Lithium-Ionen-Batterie, starb am 25. Juni im Alter von 100 Jahren.

Goodenough, Professor für Elektrotechnik und Computertechnik an der University of Texas in Austin, hat im Laufe seiner Karriere mehr als 800 technische Aufsätze verfasst. Ihm und seinen Kollegen wurde kürzlich, kurz vor seinem 100. Geburtstag, ein US-Patent erteilt.

Als ausgebildeter Mathematiker und Physiker blickt Goodenough auf eine 70-jährige Karriere in Physik und Chemie zurück. Er ist wahrscheinlich vor allem für die Entwicklung der Lithium-Kobaltoxid-Kathode im Jahr 1980 bekannt, die 1991 die Grundlage für Sonys ersten kommerziellen Lithium-Ionen-Akku bildete.

Dafür gewann er 2019 den Nobelpreis für Chemie und teilte sich die Auszeichnung mit M. Stanley Whittingham, der das Lithium-Ionen-Konzept entwickelte, und Akira Yoshino, der die Anodenchemie entwickelte, die in Sonys erstem Lithium-Ionen-Akku verwendet wurde.

Goodenough wurde 2012 mit der IEEE-Medaille für Umwelt- und Sicherheitstechnologien für Entdeckungen ausgezeichnet, die „den Weg für die Entwicklung der wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batterietechnologie ebneten“.

Ab den 1990er Jahren wurde seine Lithium-Kobaltoxid-Kathode in vielen elektronischen Produkten verwendet, darunter Camcordern, Laptops und Mobiltelefonen. Später wurde es zur Chemie der Wahl für frühe Elektroautos, einschließlich des Tesla Roadster von 2008.

In der Batteriebranche ist Goodenough jedoch nicht nur für Lithium-Kobalt-Oxid bekannt. Er half bei der Entwicklung von drei der fünf am häufigsten verwendeten Arten von Lithium-Ionen-Chemikalien. Sein erstes war Lithiumkobaltoxid. Sein zweites, Lithiummanganoxid, wird in Elektrowerkzeugen, medizinischen Geräten und einigen Elektrofahrzeugen verwendet. Sein drittes, Lithiumeisenphosphat, ist heute eine der beliebtesten Batteriechemien in der Automobilindustrie.

Goodenough wurde in Jena, Deutschland, geboren und wuchs in Woodbridge, Connecticut, etwa 13 Kilometer von Yale entfernt, wo sein Vater Religionsprofessor war.

Goodenough war Legastheniker und hatte Schwierigkeiten beim Lesen – was fast dazu führte, dass er in der sechsten Klasse zurückgehalten wurde.

„Ich war so frustriert, dass ich nicht lesen konnte“, schrieb er in seinen Memoiren „Witness to Grace“. „Und natürlich las mein [älterer] Bruder wirklich gut, und mein Vater war Professor und hatte viele Bücher zu lesen. Es war schrecklich."

Goodenough brachte sich selbst das Lesen bei und wurde ein leistungsstarker Schüler in der High School. Doch selbst nachdem er die Zulassung an der Yale-Universität erhalten hatte, habe er, sagte er, alle Kurse mit langen Leselisten gemieden, weil er befürchtete, nicht mithalten zu können.

Nach seinem Bachelor-Abschluss in Mathematik im Jahr 1943 trat Goodenough in die US-Armee ein. Er arbeitete als Meteorologe und hatte die Aufgabe, das Wetter für die Invasion der Alliierten am D-Day vorherzusagen.

Nach dem Zweiten Weltkrieg promovierte er in Physik an der University of Chicago. Er studierte bei Enrico Fermi, dem Physiker, der die weltweit erste nukleare Kettenreaktion entwickelte, und Edward Teller, dem sogenannten „Vater der Wasserstoffbombe“. Sein Doktorvater war Clarence Zener, dessen Diode bekanntermaßen den Stromfluss in umgekehrter Richtung ermöglichte.

Nachdem Goodenough einen Ph.D. 1952 studierte er Festkörperphysik und trat als Forscher dem Lincoln Laboratory des MIT in Lexington, Massachusetts, bei. Dort war er Teil eines Teams, das den weltweit ersten Magnetspeicher mit wahlfreiem Zugriff entwickelte. Seine Fähigkeit, disziplinübergreifend zu arbeiten, begann am MIT.

„Um Probleme zu lösen, mussten wir im Lincoln Lab Physik und Chemie mit Ingenieurwissenschaften zusammenbringen“, sagte er 2016 in einem Interview.

Goodenough entwickelte die Lithium-Ionen-Batterie, während er als Leiter des Labors für anorganische Chemie in Oxford an der University of Texas in Austin fungierte

1976 zog er nach England, um in Oxford zu arbeiten, wo er zum Leiter des dortigen Labors für anorganische Chemie ernannt wurde, obwohl es nur wenige formelle Chemiekurse gab. Dort machte sich Goodenough einen Namen, als er zusammen mit Koichi Mizushima, einem Postdoktoranden, an einer wiederaufladbaren Lithiumbatterie arbeitete.

Der Exxon-Forscher Whittingham hatte in den 1970er Jahren eine Lithium-Titan-Disulfid-Batterie entwickelt; Goodenough beschloss, das Titandisulfid durch Lithiumkobaltoxid zu ersetzen. Es gab der Batterie einen deutlichen Spannungsschub: von 2,4 auf 4 Volt. Die höhere Spannung machte es fast unmöglich, seine neue Batteriechemie zu ignorieren.

Goodenough ließ seine Batterie 1980 patentieren und verzichtete damit auf seinen finanziellen Anspruch, um das Patent zu finanzieren.

Sony produzierte 1991 seinen ersten kommerziellen Lithium-Ionen-Akku mit der Kobaltoxid-Kathode von Goodenough und Mizushima. Ursprünglich verwendete das Unternehmen den Akku in seiner Handycam, und bald hielt die Lithium-Ionen-Technologie Einzug in Milliarden von Mobiltelefonen und Laptops.

Während er 1981 noch in Oxford war, arbeitete Goodenough mit Michael M. Thackeray an einer Lithium-Manganoxid-Batterie. Die LMO-Batterie war kostengünstiger und sicherer in der Anwendung als Lithium-Kobaltoxid und wurde zu einem wichtigen Bestandteil von Werkzeugen und medizinischen Geräten. Im Jahr 2010 nutzte Nissan es in seinem Elektroauto Leaf.

Goodenough kehrte 1986 in die USA zurück und wechselte als Professor für Maschinenbau an die University of Texas in Austin. Dort arbeitete er 1995 an einer weiteren Lithium-Ionen-Chemie: Lithiumeisenphosphat.

Zunächst hatte er wenig Vertrauen in die Chemie, weil er dachte, sie sei zu energiearm. Doch der französische Batteriewissenschaftler Michel Armand rief Goodenough an und bot an, daran mitzuarbeiten. Das Duo entwickelte eine Lithium-Ionen-Batterie mit niedrigerer Spannung, aber auch geringeren Kosten und größerer Sicherheit.

25 Jahre später gewinnt die Batterie in der Automobilindustrie zunehmend an Bedeutung, um die Kosten für Elektroautos zu senken. Heute wird es von chinesischen Elektrofahrzeugherstellern wie BYD sowie von Ford, General Motors und Tesla eingesetzt.

Goodenough [links] teilte sich den Nobelpreis für Chemie 2019 mit Akira Yoshino [Mitte] und M. Stanley Whittingham. Yoshino entwickelte die Anodenchemie, die in Sonys erstem Lithium-Ionen-Akku verwendet wurde, und Whittingham entwickelte das Lithium-Ionen-Konzept.Alexander Mahmoud/Nobel Media

Während seiner 70-jährigen Karriere erhielt Goodenough zahlreiche Auszeichnungen. Zusätzlich zum Nobelpreis erhielt er 2011 von Präsident Barack Obama die US National Medal of Science.

Zu Goodenoughs weiteren Auszeichnungen gehörten die Copley-Medaille 2019 der Royal Society, ein Charles-Stark-Draper-Preis 2014 der National Academy of Engineering, der Japan-Preis 2001, die Benjamin-Franklin-Medaille 2018 und ein Enrico-Fermi-Preis 2009.

Er war Mitglied der National Academy of Engineering, der National Academy of Sciences, der Französischen Akademie der Wissenschaften und der National Academy of Sciences in Indien.