Diesmal brauchen wir nicht zu fragen, ob der Nobelpreis für Chemie «verdient» sei. Dass die drei Männer, welche dem Lithium-Ionen-Akku zum Durchbruch verholfen haben, «nobelpreiswürdig» sind, ist in jeglicher Hinsicht über alle Zweifel erhaben.

Ohne sie wäre der heutige Alltag nicht, was er ist. Die ganze digitale Mobilität wäre nicht möglich und die andere wohl auch nicht. Ohne Li-Ionen-Akku kein Smartphone, die portable Elektronik wäre im Walkman-Stadium stecken geblieben. Immerhin brachte Sony 1991 den Li-Ionen-Akku auf den Markt. «Beim Li-Ionen-Akku ist das Verhältnis zwischen Energie und Volumen/Gewicht unschlagbar», sagt Corsin Battaglia, der an der Empa an Batterien forscht.

Ebenfalls entscheidend, dass diese Technologie eine grosse Anzahl von Ladezyklen ermöglicht. Neben der digitalen ist auch die physische Mobilität auf die Li-Ionen-Technologie angewiesen. Ohne sie von Dekarbonisierung zu reden, macht nicht viel Sinn. Eine herkömmliche Blei-Batterie wäre viel zu schwer.

Pioniere der Batterieforschung

1973 schlug Stanley M. Wittingham vor, Titandisulfid als positive Elektrode (Kathode) in Batterien zu verwenden und zeigte, dass Lithium-Ionen sich zwischen den Schichten von Titandisulfid einlagern lassen. In 1979/1980 trat John B. Goodenough, der zweite Preisträger, auf den Plan. Er verwendete Kobaltoxid für die Kathode.

Damit konnte die Zellspannung von 2 auf 4 Volt gesteigert werden. Als negative Elektrode wurde damals Lithium-Metall eingesetzt. Aber es gelang bisher nicht, die hochreaktive Lithium-Metall-Elektrode über genügend Lade- und Entladezyklen zu stabilisieren.

Bereits 1974 hatte der 2006 verstorbene deutsche Forscher Jürgen Otto Besenhard zeigen können, dass sich Lithium Ionen auch in Graphit einlagern lassen und so als negative Elektrode (Anode) eingesetzt werden kann. Den letzten Schritt tat dann der Japaner Akira Yoshino, der dritte Preisträger, der 1985 zum ersten Mal eine Graphit-Anode mit einer Kobaltoxid Kathode kombinierte, die 1991 kommerzialisiert wurde.

Der Li-Ionen-Akku erwies sich auf dem Markt schnell als Renner. Er machte den Weg frei für die mobile Revolution der Zukunft. Die Pioniere wurden für ihre Leistungen belohnt, das Ziel ist aber noch nicht ganz erreicht. Eine grosse Herausforderung liegt zum Beispiel darin, den Kobaltgehalt zu reduzieren oder Kobalt komplett zu ersetzen.

Das sei der «Schritt von Generation 3a zu Generation 3b», sagt Batterieforscher Battaglia. Die Energiedichte würde dadurch um bis zu 20 Prozent gesteigert. Kobalt stammt grösstenteils aus dem Kongo und wird dort unter fragwürdigen Bedingungen abgebaut. Auch im Bezug auf das Recycling von Batterien und der Rückgewinnung von Kobalt bestehen zur Zeit noch viele offene Fragen.

Und Generation 4? «In Europa haben wir bei der Zellfertigung etwas den Anschluss verpasst», sagt Battaglia. Angesichts der Wichtigkeit von Batterien für grosse Industriezweige Europas, allen voran die Autoindustrie, ist die Abhängigkeit von asiatischen Zellherstellern ein wirtschaftliches Risiko.

Deshalb hat die EU entschieden, europäische Zellfertigungsaktivitäten unter anderem auch durch Forschungsinitiativen zu unterstützen, mit dem Ziel, bei der nächsten Batteriegeneration wieder wesentliche Marktanteile zurückzugewinnen.

«Die einzelnen Komponenten eines solchen Akku verstehen wir bereits recht gut», sagt Battaglia, «die Probleme beim Zusammenfügen zu meistern, das ist die Herausforderung.» Wie kann man unerwünschte chemische Reaktionen verhindern, welche den Entlade- und Ladeprozess stören? Die Limite ist hoch: Hersteller garantieren bereits über 4000 Zyklen, das bedeutet, dass bei einer Ladeeffizienz von 99,995 Prozent auf 100 000 Li-Ionen pro Zyklus gerade mal 5 verloren gehen dürfen.