Drei Forscher, die eine Technologie im Herzen des Smartphone-Zeitalters – und der daraus resultierenden gesellschaftlichen Transformation – entwickelt haben, haben 2019 den Nobelpreis für Chemie gewonnen. Die Arbeiten von John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham und Akira Yoshino haben entscheidende Fortschritte bei Lithium-Ionen-Batterien gemacht, die große Energiemengen in kleinen Batteriezellen speichern und schnell und einfach wieder aufgeladen werden können.
Diese Akkus wurden erstmals 1991 von Sony für seine Camcorder kommerziell verkauft und sind für viel mehr als nur tragbare Unterhaltungselektronik geeignet. Sie stehen im Zentrum zweier weiterer technologischer Revolutionen, die die Gesellschaft verändern werden: der Übergang von Verbrennungsmotoren zu Elektrofahrzeugen und der Übergang von einem Stromnetz, das mit fossilen Brennstoffen betrieben wird, hin zu Generatoren für erneuerbare Energien, die überschüssigen Strom in Batterien speichern zukünftiger Gebrauch.
Wie funktionieren diese Batterien? Wissenschaftler und Ingenieure haben ganze Karrieren damit verbracht, bessere Batterien zu bauen, und es gibt immer noch Rätsel, die wir nicht vollständig verstehen. Um Batterien zu verbessern, müssen Chemiker und Physiker Veränderungen auf atomarer Ebene untersuchen sowie Maschinenbau- und Elektroingenieure, die die Batteriepakete entwickeln und zusammenbauen können, die Geräte antreiben. Als Materialwissenschaftler an der University of Washington and Pacific Northwest National Lab hat meine Arbeit dazu beigetragen, neue Materialien für Lithium-Luft-Batterien, Magnesium-Batterien und natürlich Lithium-Ionen-Batterien zu erforschen.
Betrachten wir einen Tag im Leben von zwei Elektronen. Wir nennen einen von ihnen Alex und er hat einen Freund namens George.
Anatomie der Batterie
Alex lebt in einer Standard-Alkali-AA-Batterie, wie in Ihrer Taschenlampe oder Fernbedienung. Im Inneren einer AA-Batterie befindet sich ein mit Zink gefülltes und ein weiteres mit Manganoxid gefülltes Fach. An einem Ende nur das Zinkhängt schwach an Elektronenwie Alex. Am anderen Ende das Manganoxidzieht starkElektronen zu sich selbst. Dazwischen verhindert ein Blatt Papier, das in einer Lösung aus Kalium und Wasser getränkt ist, die Elektronen daran, direkt von einer Seite zur anderen zu gehen, die als positive Kaliumionen und negative Hydroxidionen koexistieren.
Wird der Akku in ein Gerät eingelegt und eingeschaltet, wird der interne Stromkreis des Gerätes geschlossen. Alex wird aus dem Zink herausgezogen, durch den Kreislauf und in das Manganoxid. Unterwegs versorgt seine Bewegung das Gerät oder die Glühbirne oder was auch immer mit der Batterie. Als Alex geht, kann er nicht zurück: Das Zink, das ein Elektron verloren hat, verbindet sich mit dem Hydroxid zu Zinkoxid. Diese Verbindung ist äußerst stabil und kann nicht ohne weiteres wieder in Zink umgewandelt werden.
Auf der anderen Seite der Batterie gewinnt das Manganoxid ein Sauerstoffatom aus dem Wasser und lässt Hydroxidionen zurück, um den Hydroxidverbrauch des Zinks auszugleichen. Nachdem alle Nachbarn von Alex das Zink verlassen haben und zum Manganoxid übergegangen sind,Batterie ist leerund muss recycelt werden.
Lithium-Ionen-Vorteile
Vergleichen wir das mit George, der in einer Lithium-Ionen-Batterie lebt. Lithium-Ionen-Batterien haben die gleichen Grundbausteine wie Alkaline-AA-Zellen, mit einigen Unterschieden, die große Vorteile bieten.
George lebt in Graphit, das noch schwächer als Zink darin ist, Elektronen zu halten. Und der andere Teil seiner Batterie ist Lithium-Kobalt-Oxid, das Elektronen viel stärker anzieht als Manganoxid – was seiner Batterie die Fähigkeit verleiht, auf gleichem Raum viel mehr Energie zu speichern als eine Alkalibatterie. Die Lösung, die Graphit und Lithium-Kobalt-Oxid trennt, enthält positiv geladene Lithium-Ionen, die beim Entladen und Wiederaufladen der Batterie leicht chemische Bindungen bilden und brechen.
