John Goodenough wird 100: Der Mann, der ein Stück unserer Zukunft erfunden hat
John Goodenough hat ein Jahrhundert erlebt und dabei geholfen, die Welt, in der er lebte, zu verändern - und das schon lange vor seiner Arbeit an Akkus. 2019 wurde er im Alter von 97 Jahren zum bisher ältesten Nobelpreisträger . Goodenough ist bekannt für seine Arbeiten zur Entwicklung der Lithium-Ionen-Akkus, seinen positiven Einfluss auf die Menschen, mit denen er zusammengearbeitet hat, und sein lautes Lachen.
Sharon Wood, Dekanin der Universität Texas, in der Goodenough bis heute forscht, lobte auf einem Symposion anlässlich seines 100. Geburtstages, den er am Montag feierte, seine einzigartige Perspektive auf das Leben und seinen Willen, mit seiner Arbeit die Zukunft der Menschheit zu verbessern.
Nachdem er im Zweiten Weltkrieg für das Militär in der Meteorologie gearbeitet hatte, studierte Goodenough Festkörperphysik. Er lernte Quantenmechanik und Kernphysik in Kursen von Enrico Fermi. Sein Doktorvater war Clarence Melvin Zener(öffnet im neuen Fenster) , der für die Entdeckung des nach ihm benannten Effekts und die Entwicklung der Zener-Diode bekannt wurde.
Die Erfindung des Magnetkernspeichers
Seine erste Aufgabe nach dem Studium bekam Goodenough 1952 am Lincoln Laboratory des MIT. Dessen Digitalcomputer benutzte einen elektrostatischen Speicher.(öffnet im neuen Fenster) Das ist eine Kathodenstrahlröhre ähnlich einer Bildröhre. Der Elektronenstrahl wird verwendet, um Felder auf der Bildröhre elektrisch aufzuladen und dann mit Hilfe einer positiven Spannung wieder auszulesen. Von den erhofften 4.096 Bit konnten aber nur 256 Bit realisiert werden. Stattdessen sollten magnetische Speicherkerne verwendet werden.
Das Prinzip ist einfach. Ferromagnetische Stoffe können in eine beliebige Richtung magnetisiert werden, wenn ein ausreichend starkes magnetisches Feld angelegt wird. Aber kein verfügbares magnetisches Material konnte schnell und sauber genug umschalten, um als Arbeitsspeicher zu dienen. Innerhalb von drei Jahren entwickelte Goodenough das Material für die Ferritkerne, die noch bis in die Ära des Spaceshuttles in Digitalcomputern verwendet wurden.
20 Jahre lang leitete Goodenough sein eigenes Labor zur weiteren Untersuchung der magnetischen Eigenschaften von kristallinen, keramischen Stoffen. Bis die Ölkrise Anfang der 1970er Jahre und Umbrüche in der US-amerikanischen Gesellschaft mehr angewandte Forschung nötig machten. Goodenough beschloss, Beiträge für die anstehende Energiewende zu liefern und versuchte, die Hochtemperatur-Natrium-Schwefel-Akkus zu verbessern, deren Entwicklung schon in den 1960er Jahren von der Ford Motor Company finanziert wurde.
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(öffnet im neuen Fenster) 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.
Neue Akkutechnologien bis ins hohe Alter
Als 1991 der erste Lithium-Ionen-Akku auf den Markt kam, war John Goodenough 69 Jahre alt. Schon 1988 brachte die kanadische Firma Moli Energy einen Lithium-Akku mit einer Anode aus Lithiummetall für Handys und Laptops auf den Markt. Die Metallanoden verursachten aber so viele Kurzschlüsse und Brände, dass die Akkus nach weniger als einem Jahr zurückgerufen wurden. Sony fügte das Wort Ionen zum Namen der Akkutechnik hinzu, um sich von den Akkus von Moli Energy abzugrenzen. An der Kommerzialisierung sicherer Akkus mit Lithiummetall-Anode wird bis heute gearbeitet.
Trotz seines Alters setzte Goodenough seit 1986 zusammen mit einer Forschungsgruppe die Arbeit an der Universität Texas fort. Nach Lithium-Kobaltoxid folgte die Entwicklung von Manganoxid als Kathode, das inzwischen zur Einsparung von Nickel und Kobalt wieder auf mehr Interesse stößt, nachdem es in den Akkus der ersten Generation des Nissan Leaf zu schnellem Verlust von Akkukapazität bei hohen Temperaturen führte und entsprechend unbeliebt wurde.
1997 entwickelte Goodenoughs Gruppe Lithium-Eisenphosphat(öffnet im neuen Fenster) zur funktionierenden Kathode weiter, die in China bereits den größten Teil der Produktion an Lithium-Ionen-Akkus ausmacht und auch in Europa und den USA immer größere Verbreitung in Elektroautos findet. Die möglicherweise wichtigste Entwicklung für die nächsten Jahre veröffentlichte die Forschungsgruppe im Jahr 2011, mit der Verwendung von Preußisch Blau als Kathodenmaterial für Natrium-Ionen-Akkus.
Fachgrenzen behindern technischen Fortschritt
Preußisch Blau ist keine Keramik und lässt sich mit chemischen Reaktionen bei Zimmertemperatur herstellen. Das Material zeigte von Anfang an große Stabilität beim Laden und Entladen von Akkus und wird aktuell von CATL, dem größten Akkuhersteller der Welt, als Kathode für dessen erste Generation von Natrium-Ionen-Akkus verwendet. Es stellt einen kostengünstigen Ausweg aus der Knappheit von Lithium dar, die hauptsächlich durch den großen Erfolg der Lithium-Eisenphosphat-Akkus verursacht wurde.
Der Rückblick auf das 100-jährige Leben von John Goodenough, der auch Beiträge zu Brennstoffzellen, Elektrolyten und anderen Technologien lieferte, hält einige Lehren für die Gegenwart und Zukunft bereit. Dazu gehört, wie wichtig ein solider Hintergrund in der scheinbar rein akademischen Grundlagenforschung für die Entwicklung von Anwendungen ist. Und wie wichtig es ist, dass Wissenschaftler sich auch aus der Grundlagenforschung heraus in die Entwicklung von Anwendungen begeben konnten, ohne dabei akademisches Ansehen zu verlieren.
Das Gleiche gilt für die interdisziplinäre Kooperation von Festkörperphysik, Chemie und Ingenieurswissenschaft, ohne die es keine erfolgreiche Entwicklung des Lithium-Ionen-Akkus gegeben hätte. Nicht zuletzt zeigt sich, wie wichtig der Beitrag großer Unternehmen wie Ford oder Exxon Mobile in der Entwicklung der Grundlagen der praktischen Elektromobilität war und wie sehr die einst vorhandene Grundlagenarbeit dieser Unternehmen in der heutigen Welt fehlt.