Goodenough ersetzte Sulfid durch Oxid und schuf 1980 eine 4-Volt-Lithium-Kathode

Die Lithiumbatterie begann in der Ölkrise der 1970er Jahre, als M. Stanley Whittingham von Exxon nach fossilfreier Energiespeicherung suchte und in Titandisulfid eine äußerst energiereiche Kathode fand, deren molekulare Schichten Lithiumionen beherbergen — interkalieren. Gepaart mit einer Anode, die teilweise aus metallischem Lithium bestand, lieferte sie etwas mehr als zwei Volt reales Potenzial. Doch metallisches Lithium ist reaktiv: Die Batterie war, mit den Worten des Nobelkomitees, zu explosiv, um lebensfähig zu sein.

John Goodenough, damals Leiter der anorganischen Chemie in Oxford, sagte voraus, dass eine Kathode auf Basis eines Metalloxids statt eines Metallsulfids ein noch größeres Potenzial haben würde. Nach einer systematischen Suche mit Koichi Mizushima, Philip Wiseman und P. C. Jones wies er 1980 nach, dass Cobaltoxid mit interkalierten Lithiumionen bis zu vier Volt erzeugen konnte — ein Designraum ohne Anode aus metallischem Lithium eröffnete sich, und die Gruppe meldete am 31. März 1980 ein US-Patent für die Kathodenfamilie der schnellen Ionenleiter an.

Diese Kathode wurde zur Grundlage, auf der die beiden anderen Chemie-Nobelpreisträger von 2019 aufbauten: 1985 kombinierte Akira Yoshino bei Asahi Kasei sie mit einer Kohlenstoffanode aus Petrolkoks, die ebenfalls Lithium interkalieren konnte, und schuf die erste kommerziell lebensfähige Lithium-Ionen-Zelle, die ab 1991 auf dem Markt war. Weil die Chemie Lithiumionen hin und her bewegt, statt die Elektroden abzubauen, lädt sich die Batterie hunderte Male auf — und sie treibt heute Telefone, Laptops, Elektroautos und Speicher für erneuerbare Energien an. Das Nobelkomitee nannte sie die Grundlage einer drahtlosen, fossilfreien Gesellschaft.

Oxidkathode statt Sulfid: vier Volt statt zwei

Die höhere Elektronegativität des Oxids hebt das Kathodenpotenzial auf etwa vier Volt und verdoppelt damit die Energiedichte gegenüber dem Sulfid-Design nahezu, ohne dass sich am Problem der Lithiummetallanode etwas ändert.

Die Interkalationsstruktur übersteht das Einfügen und Entfernen von Ionen, sodass die Kathode wiederaufladbar statt verbrauchbar ist — die Batterie durchläuft Zyklen, statt zu degradieren.

Die systematische Materialsuche war theoriegeleitet: Goodenough sagte den Oxidvorteil zuerst aus der Kristallchemie voraus und testete dann Cobaltoxid, statt zufällig zu screenen.

Der elektrochemische Extraktionsweg bei niedriger Temperatur im Patent ermöglichte Zusammensetzungen, die die Hochtemperatursynthese nicht erreichen konnte, und verwandelte ein Stabilitätsproblem in ein Herstellungsverfahren.

Wenn eine Komponente versagt, hinterfrage die Materialklasse, nicht das Bauteil. Die Brände wurden dem Lithiummetall angelastet, doch das eigentliche Problem lag in der Kathodenchemie — ändere diese, und das Konzept überlebt.

Yoshinos Zelle mit Kohlenstoffanode von 1985 baute direkt auf Goodenoughs Kathode auf und kam 1991 auf den Markt; Lithium-Ionen-Batterien trieben in der Folge die globale tragbare Elektronik an, ermöglichten Elektroautos mit großer Reichweite und speichern Solar- und Windenergie. Der Chemie-Nobelpreis 2019 ging gemeinsam an Goodenough, Whittingham und Yoshino für die Grundlage — ein seltener Nobelpreis für eine Materialsubstitution, die eine Spannung verdoppelte.