Forschung an Magneten liefert die Grundlagen für die Akkus

Auf der Suche nach einem besseren Natrium-Schwefel-Akku fand Goodenough mit den Natrium-Superionen-Leitern (Nasicon) eine ganze Stoffklasse, die zwar nie in kommerziellen Natrium-Schwefel-Akkus verwendet wurde, aber in der Forschung an Elektrolyten für Festkörperakkus eine große Rolle spielt. Die Hochleistungskathoden aus Vanadiumphosphat in den Natrium-Ionen-Akkus der französischen Firma Tiamat haben beispielsweise eine Nasicon-Struktur.

1976 folgte Goodenough einem Angebot der Universität Oxford, Professor für Anorganische Chemie zu werden - was ungewöhnlich genug für einen studierten Festkörperphysiker war, der nun als Chemiker anerkannt wurde. Zu diesem Zeitpunkt hatte die Entwicklung der Natrium-Schwefel-Akkus bereits zu der Idee geführt, konventionellere Akkus mit Natrium oder Lithium zu bauen. Dazu musste das Funktionsprinzip des Natrium-Schwefel-Akkus umgekehrt werden, um bekannte flüssige Elektrolyte zur Leitung von Lithium- und Natrium-Ionen mit festen Kathoden und Anoden zu benutzen.

Stanley Whittingham, der 2019 zusammen mit Goodenough den Nobelpreis bekam, baute erste Zellen aus Titansulfid und Lithiumanode, deren Zellspannung aber zu niedrig für hohe Energiedichte war und die beim Laden des Akkus leicht Kurzschlüsse verursachten. Ihre Entwicklung wurde damals vom Ölkonzern Exxon Mobile finanziert. Goodenough schlug stattdessen die Verwendung von Oxiden vor. Damit hatte er bereits viel Erfahrung gesammelt. Sie halten eine höhere Spannung aus als Sulfide, ohne beim Ladevorgang zerstört zu werden. Es gab nur noch kein bekanntes Oxid, das Lithium-Ionen aufnehmen und abgeben konnte.

Magnete halfen bei der Akkuentwicklung

Die Erfahrung aus der Untersuchung magnetischer Eigenschaften von Keramiken, darunter viele Oxide, führte aber bald zum Erfolg. Lithium-Kobaltoxid stellte sich 1980 als guter Kandidat für eine Kathode heraus, mit einer Schichtstruktur ähnlich der von Titansulfid. Zwischen den Schichten haben die Ionen genug Bewegungsfreiheit, um beim Laden und Entladen der Akkus das Material zu verlassen oder wieder an ihren Platz zurückzukehren.

Gleichzeitig half Lithium-Kobaltoxid, das Problem der Entwicklung einer Anode zu lösen. Denn anders als mit Titansulfid befindet sich alles benötigte Lithium von Anfang an in der Kathode. Akira Yoshino, ein Mitarbeiter von Sony, war auf der Suche nach einem solchen Material und fand es in Goodenoughs Paper von 1980. Denn er hatte herausgefunden, dass Polyacetylen Lithium-Ionen beim Laden des Akkus mit wenig Spannungsverlust aufnehmen und wieder abgeben kann - aber selbst kein Lithium beinhaltet.

1983 funktionierten die ersten Akkus mit Lithium-Kobaltoxid und Polyacetylen. 1985 patentierte Sony die ersten Lithium-Ionen-Akkus, allerdings nach weiterer Entwicklung mit Kohlenstoff als Anodenmaterial. Erst in den 1990er Jahren gelang die Verwendung von Graphit, nachdem klar wurde, dass es bei früheren Versuchen durch das übliche Propylencarbonat-Elektrolyt zerstört wurde. Die ersten Lithium-Ionen-Akkus kamen noch ohne Graphit auf den Markt.