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Aug 18, 2023

Wer hat das wiederaufladbare Lithium wirklich erfunden?

Viele ließen den Staffelstab fallen, bevor Sony schließlich die Ziellinie überquerte. Fünfzig Jahre nach der Geburt des wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Akkus ist sein Wert leicht zu erkennen. Es wird milliardenfach verwendet

Viele ließen den Staffelstab fallen, bevor Sony schließlich die Ziellinie überquerte

Fünfzig Jahre später Anlässlich der Geburt des wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Akkus ist sein Wert leicht zu erkennen. Es wird in Milliarden von Laptops, Mobiltelefonen, Elektrowerkzeugen und Autos verwendet. Der weltweite Umsatz übersteigt 45 Milliarden US-Dollar pro Jahr und soll im kommenden Jahrzehnt auf über 100 Milliarden US-Dollar steigen.

Und doch dauerte es fast zwei Jahrzehnte, bis diese transformative Erfindung das Labor verließ. Zahlreiche Unternehmen in den Vereinigten Staaten, Europa und Asien erwogen die Technologie, erkannten jedoch ihr Potenzial nicht.

Die erste Version, die 1972 von M. Stanley Whittingham bei Exxon entwickelt wurde, kam nicht weit. Sie wurde in kleinen Stückzahlen von Exxon hergestellt, erschien 1977 auf einer Elektrofahrzeugmesse in Chicago und diente kurzzeitig als Knopfzellenbatterie. Aber dann ließ Exxon es fallen.

Verschiedene Wissenschaftler auf der ganzen Welt nahmen die Forschungsbemühungen auf, doch etwa 15 Jahre lang ließ der Erfolg aus. Erst als die Entwicklung zur richtigen Zeit beim richtigen Unternehmen landete, begann der Weg zur Batterie-Weltherrschaft endgültig einzuschlagen.

Akira Yoshino, John Goodenough und M. Stanley Whittingham [von links] teilten sich den Nobelpreis für Chemie 2019. Mit 97 Jahren war Goodenough der älteste Nobelpreisträger in der Geschichte. Jonas Ekstromer/AFP/Getty Images

In den frühen 1970er Jahren sagten Exxon-Wissenschaftler voraus, dass die weltweite Ölproduktion im Jahr 2000 ihren Höhepunkt erreichen und dann stetig zurückgehen würde. Die Forscher des Unternehmens wurden ermutigt, nach Ölersatzstoffen zu suchen und dabei jede Art von Energie zu verfolgen, bei der es nicht um Erdöl geht.

Whittingham, ein junger britischer Chemiker, schloss sich im Herbst 1972 der Suche bei Exxon Research and Engineering in New Jersey an. Bis Weihnachten hatte er eine Batterie mit einer Titandisulfid-Kathode und einem flüssigen Elektrolyten entwickelt, die Lithiumionen verwendete.

Whittinghams Batterie war anders als alles, was ihr vorausgegangen war. Es funktionierte, indem es Ionen in das Atomgitter eines Wirtselektrodenmaterials einfügte – ein Prozess, der Interkalation genannt wird. Auch die Leistung des Akkus war beispiellos: Er war sowohl wiederaufladbar als auch sehr energiereich. Bis dahin war die beste wiederaufladbare Batterie eine Nickel-Cadmium-Batterie, die maximal 1,3 Volt lieferte. Im Gegensatz dazu erzeugte Whittinghams neue Chemie erstaunliche 2,4 Volt.

Im Winter 1973 beriefen Unternehmensmanager Whittingham in die New Yorker Büros des Unternehmens, um vor einem Unterausschuss des Exxon-Vorstands zu erscheinen. „Ich bin da reingegangen und habe es erklärt – fünf Minuten, höchstens zehn“, erzählte mir Whittingham im Januar 2020. „Und innerhalb einer Woche sagten sie: Ja, sie wollten darin investieren.“

Whittinghams Batterie, die erste Lithium-Interkalationsbatterie, wurde 1972 bei Exxon unter Verwendung von Titandisulfid als Kathode und metallischem Lithium als Anode entwickelt.Johan Jarnestad/Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften

Es sah aus wie der Anfang von etwas Großem. Whittingham veröffentlichte einen Artikel in Science; Exxon begann mit der Herstellung von Knopfzellen-Lithiumbatterien, und der Schweizer Uhrenhersteller Ebauches verwendete die Zellen in einer solarbetriebenen Armbanduhr.

Doch in den späten 1970er Jahren ließ das Interesse von Exxon an Ölalternativen nach. Darüber hinaus waren die Führungskräfte des Unternehmens der Ansicht, dass Whittinghams Konzept wahrscheinlich nie großen Erfolg haben würde. Sie haben sich von Lithiumtitandisulfid abgewendet und die Technologie an drei Batterieunternehmen lizenziert – eines in Asien, eines in Europa und eines in den Vereinigten Staaten.

„Ich habe die Beweggründe dafür verstanden“, sagte Whittingham. „Der Markt war einfach nicht groß genug. Unsere Erfindung war einfach zu früh.“

1976 wechselte John Goodenough [links] an die University of Oxford, wo er die Entwicklung der ersten Lithium-Kobaltoxid-Kathode leitete. Die University of Texas in Austin

Es war der erste von vielen Fehlstarts für die wiederaufladbare Lithiumbatterie. John B. Goodenough von der Universität Oxford war der nächste Wissenschaftler, der den Staffelstab übernahm. Goodenough war mit Whittinghams Arbeit vertraut, unter anderem weil Whittingham seinen Doktortitel erworben hatte. in Oxford. Aber es war eine Arbeit von Whittingham aus dem Jahr 1978 mit dem Titel „Chemistry of Intercalation Compounds: Metal Guests in Chalkogenide Hosts“, die Goodenough davon überzeugte, dass Lithium der Spitzenreiter in der Batterieforschung war. [Goodenough verstarb am 25. Juni im Alter von 100 Jahren.]

Goodenough und sein Forschungskollege Koichi Mizushima begannen mit der Erforschung von Lithium-Interkalationsbatterien. Bis 1980 hatten sie Whittinghams Design verbessert und Titandisulfid durch Lithiumkobaltoxid ersetzt. Die neue Chemie erhöhte die Spannung der Batterie um weitere zwei Drittel auf 4 Volt.

Goodenough schrieb an Batterieunternehmen in den Vereinigten Staaten, im Vereinigten Königreich und auf dem europäischen Festland in der Hoffnung, einen Unternehmenspartner zu finden, erinnerte er sich in seinen Memoiren von 2008, Witness to Grace. Aber er fand keine Abnehmer.

Er forderte auch die Universität Oxford auf, für ein Patent zu zahlen, doch Oxford lehnte ab. Wie viele Universitäten der damaligen Zeit befasste sie sich nicht mit geistigem Eigentum und glaubte, dass solche Angelegenheiten auf die kommerzielle Welt beschränkt seien.

Die Batterie von Goodenough aus dem Jahr 1980 ersetzte Whittinghams Titandisulfid in der Kathode durch Lithiumkobaltoxid.Johan Jarnestad/Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften

Dennoch hatte Goodenough Vertrauen in die Chemie seiner Batterie. Er besuchte das Atomic Energy Research Establishment (AERE), ein Regierungslabor in Harwell, etwa 20 Kilometer von Oxford entfernt. Das Labor erklärte sich bereit, das Patent zu finanzieren, allerdings nur unter der Bedingung, dass der 59-jährige Wissenschaftler seine finanziellen Rechte aufgab. Goodenough kam dieser Bitte nach. Das Labor patentierte es 1981; Goodenough hat nie einen Cent der Einnahmen der Originalbatterie gesehen.

Für das AERE-Labor hätte dies der ultimative Glücksfall sein sollen. Es hatte nichts geforscht, besaß aber nun ein Patent, das sich als astronomisch wertvoll erweisen würde. Aber die Labormanager hatten damit nicht gerechnet. Sie haben es abgelegt und vergessen.

Der nächste Verfechter der wiederaufladbaren Lithiumbatterie war Akira Yoshino, ein 34-jähriger Chemiker bei Asahi Chemical in Japan. Yoshino hatte unabhängig damit begonnen, die Verwendung einer Kunststoffanode – hergestellt aus elektrisch leitendem Polyacetylen – in einer Batterie zu untersuchen und suchte nach einer Kathode, die dazu passen könnte. Als er am letzten Tag des Jahres 1982 seinen Schreibtisch aufräumte, fand er einen von Goodenough mitverfassten technischen Aufsatz aus dem Jahr 1980, erinnert sich Yoshino in seiner Autobiografie „Lithium-Ionen-Batterien öffnen die Tür zur Zukunft, verborgene Geschichten des Erfinders“. In dem Aufsatz, den Yoshino herbeigeschickt, aber noch nicht gelesen hatte, wurde eine Lithium-Kobaltoxid-Kathode beschrieben. Könnte es mit seiner Plastikanode funktionieren?

Yoshino kombinierte zusammen mit einem kleinen Team von Kollegen die Kathode von Goodenough mit der Kunststoffanode. Sie versuchten auch, die Kathode mit verschiedenen anderen Anodenmaterialien zu kombinieren, die meist aus verschiedenen Kohlenstoffarten hergestellt wurden. Schließlich entschieden er und seine Kollegen sich für eine kohlenstoffbasierte Anode aus Petrolkoks.

Yoshinos Batterie, die Ende der 1980er Jahre bei Asahi Chemical entwickelt wurde, kombinierte die Goodenough-Kathode mit einer Petrolkoks-Anode. Johan Jarnestad/Die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften

Diese Entscheidung für Petrolkoks erwies sich als großer Fortschritt. Whittingham und Goodenough hatten Anoden aus metallischem Lithium verwendet, das flüchtig und sogar gefährlich war. Durch die Umstellung auf Kohlenstoff hatten Yoshino und seine Kollegen eine weitaus sicherere Batterie geschaffen.

Dennoch gab es Probleme. Zum einen war Asahi Chemical ein Chemieunternehmen und kein Batteriehersteller. Niemand bei Asahi Chemical wusste, wie man Produktionsbatterien im kommerziellen Maßstab herstellt, und das Unternehmen besaß auch nicht die Beschichtungs- oder Wickelausrüstung, die zur Herstellung von Batterien erforderlich war. Die Forscher hatten einfach einen groben Laborprototyp gebaut.

Da kommt Isao Kuribayashi, ein Forschungsleiter von Asahi Chemical, der Teil des Teams war, das die Batterie entwickelt hat. In seinem Buch „A Nameless Battery with Untold Stories“ erzählte Kuribayashi, wie er und ein Kollege in den USA nach Beratern suchten, die bei der Herstellung der Batterie helfen konnten. Ein Berater empfahl Battery Engineering, ein kleines Unternehmen mit Sitz in einer umgebauten LKW-Garage im Hyde Park-Viertel von Boston. Das Unternehmen wurde von einer kleinen Gruppe von Doktoranden geleitet. Wissenschaftler, die Experten im Bau ungewöhnlicher Batterien waren. Sie hatten Batterien für eine Vielzahl von Zwecken gebaut, darunter Kampfjets, Raketensilos und Bohrinseln.

Nikola Marincic, der bei Battery Engineering in Boston arbeitet, hat den Rohprototyp von Asahi Chemical [unten] in Vorserienzellen umgewandelt. Lidija Ortloff

Also flogen Kuribayashi und sein Kollege im Juni 1986 nach Boston und tauchten unangemeldet bei Battery Engineering mit drei Gläsern Schlamm auf – eines enthielt die Kathode, eines die Anode und das dritte den Elektrolyten. Sie baten Firmenmitbegründer Nikola Marincic, die Schlämme in zylindrische Zellen zu verwandeln, wie man sie für eine Taschenlampe kaufen könnte.

„Sie sagten: ‚Wenn du die Batterien bauen willst, dann stelle keine weiteren Fragen‘“, sagte mir Marincic in einem Interview im Jahr 2020. „Sie haben mir nicht gesagt, wer sie geschickt hat, und ich wollte auch nicht danach fragen.“

Kuribayashi und sein Kollege verlangten außerdem, dass Marincic niemandem von ihrer Batterie erzählte. Selbst die Mitarbeiter von Marincic wussten erst 2020, dass sie am Bau der weltweit ersten Vorserien-Lithium-Ionen-Zellen beteiligt waren.

Marincic verlangte 30.000 US-Dollar (heute 83.000 US-Dollar), um eine Charge der Batterien zu bauen. Zwei Wochen später reisten Kuribayashi und sein Kollege mit einer Kiste mit 200 C-Zellen nach Japan ab.

Selbst mit funktionierenden Batterien stieß Kuribayashi jedoch immer noch auf den Widerstand der Direktoren von Asahi Chemical, die weiterhin Angst davor hatten, in ein unbekanntes Unternehmen vorzudringen.

Kuribayashi war nicht bereit aufzugeben. Am 21. Januar 1987 besuchte er die Camcorder-Abteilung von Sony, um eine Präsentation über den neuen Akku von Asahi Chemical zu halten. Er nahm eine der C-Zellen und rollte sie über den Konferenztisch zu seinen Gastgebern.

Kuribayashi nannte in seinem Buch nicht viele weitere Details und schrieb lediglich, dass er durch einen Besuch bei Sony hoffte, „die Batterietechnologie zu bestätigen“.

Sony hat es jedoch mehr als nur „bestätigt“. Zu diesem Zeitpunkt erwog Sony laut Unternehmensgeschichte, eine eigene wiederaufladbare Lithiumbatterie zu entwickeln. Als die Führungskräfte des Unternehmens die Zelle von Asahi sahen, erkannten sie den enormen Wert. Da Sony sowohl ein Hersteller von Unterhaltungselektronik als auch ein Batteriehersteller war, verstand das Managementteam die Batterie sowohl aus der Kunden- als auch aus der Lieferantenperspektive.

Und das Timing war perfekt. Sony-Ingenieure arbeiteten an einem neuen Camcorder, der später als Handycam bekannt wurde, und dieses Produkt benötigte dringend einen kleineren, leichteren Akku. Für sie schien die Batterie, die Kuribayashi überreichte, ein Geschenk des Himmels zu sein.

John Goodenough und sein Miterfinder Koichi Mizushima überzeugten das Atomic Energy Research Establishment, die Kosten für die Patentierung ihrer Lithium-Kobaltoxid-Batterie zu finanzieren, mussten jedoch ihre finanziellen Rechte dafür aufgeben. US-Patent- und Markenamt

Es folgten mehrere Treffen. Laut Kuribayashi durften einige Sony-Wissenschaftler Asahis Labore betreten und umgekehrt. Letztendlich schlug Sony eine Partnerschaft vor. Asahi Chemical lehnte ab.

Hier verschwimmt die Geschichte des Weges der Lithium-Ionen-Batterie zur Kommerzialisierung. Sony-Forscher arbeiteten weiterhin an der Entwicklung wiederaufladbarer Lithiumbatterien und verwendeten dabei eine Chemie, von der in der Unternehmensgeschichte von Sony später behauptet wurde, sie sei im eigenen Unternehmen hergestellt worden. Aber der Akku von Sony nutzte die gleiche grundlegende Chemie wie der von Asahi Chemical. Die Kathode war Lithiumkobaltoxid; die Anode war Petrolkoks; Der flüssige Elektrolyt enthielt Lithiumionen.

Klar ist, dass die Sony-Ingenieure in den nächsten zwei Jahren, von 1987 bis 1989, die harte Arbeit leisteten, einen groben Prototyp in ein Produkt umzuwandeln. Unter der Leitung des Batterieingenieurs Yoshio Nishi arbeitete das Team von Sony mit Lieferanten zusammen, um Bindemittel, Elektrolyte, Separatoren und Additive zu entwickeln. Sie entwickelten eigene Verfahren zur Wärmebehandlung der Anode und zur Herstellung von Kathodenpulver in großen Mengen. Sie verdienen Anerkennung für die Schaffung eines echten kommerziellen Produkts.

Nur ein Schritt blieb übrig. Im Jahr 1989 rief einer der Sony-Manager das Atomic Energy Research Establishment in Harwell, England, an. Der Geschäftsführer fragte nach einem der Patente des Labors, das seit acht Jahren verstaubt war – Goodenoughs Kathode. Er sagte, Sony sei an einer Lizenzierung der Technologie interessiert.

Wissenschaftler und Führungskräfte des Harwell-Labors rätselten. Sie konnten sich nicht vorstellen, warum sich irgendjemand für das Patent „Elektrochemische Zelle mit neuen schnellen Ionenleitern“ interessieren sollte.

„Es war nicht klar, wie der Markt aussehen würde oder wie groß er sein würde“, sagte mir Bill Macklin, damals AERE-Wissenschaftler. Einige der älteren Wissenschaftler fragten sich sogar laut, ob es für ein Atomlabor in England angemessen sei, Geheimnisse mit einem Unternehmen in Japan, einem ehemaligen Gegner des Zweiten Weltkriegs, zu teilen. Schließlich kam es jedoch zu einer Einigung.

Sony stellte den Akku 1991 vor und gab ihm den heute bekannten Spitznamen „Lithium-Ionen“. Es gelangte schnell in Camcorder und dann in Mobiltelefone.

Zu diesem Zeitpunkt waren seit Whittinghams Erfindung 19 Jahre vergangen. Mehrere Unternehmen hatten die Gelegenheit gehabt, diese Technologie vollständig zu nutzen – und hatten sie abgelehnt.

Erstens war da Exxon, dessen Führungskräfte sich nicht träumen ließen, dass Lithium-Ionen-Batterien es Elektrofahrzeugen ermöglichen würden, im großen Stil mit Öl zu konkurrieren. Einige Beobachter würden später behaupten, dass Exxon durch den Verzicht auf die Technologie eine Verschwörung unternommen habe, um einen Konkurrenten des Öls zu unterdrücken. Aber Exxon lizenzierte die Technologie an drei andere Unternehmen, und auch keines dieser Unternehmen hatte damit Erfolg.

Dann war da noch die Universität Oxford, die sich geweigert hatte, für ein Patent zu bezahlen.

Schließlich war da noch Asahi Chemical, dessen Führungskräfte mit der Entscheidung, ob sie in den Batteriemarkt einsteigen sollten, zu kämpfen hatten. (Asahi kam 1993 schließlich ins Spiel und schloss sich mit Toshiba zusammen, um Lithium-Ionen-Batterien herzustellen.)

Sony und AERE, die Unternehmen, die finanziell am meisten von der Batterie profitierten, profitierten beide vom Glück. Das Atomic Energy Research Establishment zahlte lediglich Anwaltskosten für ein Patent, das sich als wertvoll herausstellte, und musste später daran erinnert werden, dass es sogar Eigentümer des Patents war. Die Gewinne von AERE aus seinem Patent sind unbekannt, aber die meisten Beobachter sind sich einig, dass das Unternehmen vor Ablauf des Patents mindestens 50 Millionen US-Dollar und möglicherweise mehr als 100 Millionen US-Dollar eingenommen hat.

Sony hatte inzwischen den zufälligen Besuch von Kuribayashi von Asahi Chemical erhalten, der das Unternehmen auf den Weg zur Kommerzialisierung brachte. Sony verkaufte Dutzende Millionen Zellen und lizenzierte das AERE-Patent dann an mehr als zwei Dutzend andere asiatische Batteriehersteller, was weitere Milliarden einbrachte. (Im Jahr 2016 verkaufte Sony sein Batteriegeschäft für 17,5 Milliarden Yen, heute etwa 126 Millionen US-Dollar, an Murata Manufacturing.)

Keiner der ursprünglichen Ermittler – Whittingham, Goodenough und Yoshino – erhielt eine Kürzung dieser Gewinne. Alle drei teilten sich jedoch den Nobelpreis für Chemie 2019. Laut der Zeitung Mainichi Shimbun wurde Yoshio Nishi von Sony, der inzwischen im Ruhestand war, nicht in den Nobelpreis aufgenommen, eine Entscheidung, die er auf einer Pressekonferenz kritisierte.

Rückblickend sieht die frühe Geschichte von Lithium-Ionen heute wie eine Geschichte zweier Welten aus. Es gab eine wissenschaftliche Welt und eine Geschäftswelt, und sie überschnitten sich selten. Chemiker, Physiker und Materialwissenschaftler arbeiteten im Stillen und teilten ihre Erfolge in technischen Veröffentlichungen und auf Overheadprojektoren auf Konferenzen. Die Geschäftswelt hingegen hoffte nicht auf Durchbrüche bei Universitätswissenschaftlern und erkannte das Potenzial dieser neuen Batteriechemie nicht, selbst wenn die Fortschritte ihrer eigenen Forscher nicht berücksichtigt wurden.

Ohne Sony hätte der wiederaufladbare Lithium-Akku möglicherweise noch viele Jahre lang ausgedient. Mit ziemlicher Sicherheit hatte das Unternehmen Erfolg, weil seine besonderen Umstände es darauf vorbereiteten, Kuribayashis Prototyp zu verstehen und zu schätzen. Sony war bereits im Batteriegeschäft tätig, benötigte eine bessere Batterie für seinen neuen Camcorder und hatte mit der Entwicklung einer eigenen wiederaufladbaren Lithiumbatterie geliebäugelt. Die Ingenieure und Manager von Sony wussten genau, wohin dieses Puzzleteil führen könnte, und erkannten, was so viele andere übersehen hatten. Louis Pasteur hatte mehr als ein Jahrhundert zuvor bekanntlich gesagt: „Der Zufall begünstigt den vorbereiteten Geist.“

Die Geschichte der Lithium-Ionen-Batterie zeigt, dass Pasteur Recht hatte.

Dieser Artikel erscheint in der Printausgabe vom August 2023 mit dem Titel „Der lange und kurvenreiche Weg der Lithium-Ionen-Batterie“.