Vordenker – Weiterdenker: Strom aus Chemie

Vordenker

Alessandro Volta, der italienische Physiker, stellte im Jahr 1800 der Royal Society in London mit der Volta’schen Säule die erste funktionierende Batterie vor.

Weiterdenker

Michael Thackeray, der in Südafrika geborene Chemiker, ist einer der führenden Wissenschaftler bei der Entwicklung von Lithium-Batterien – eine Schlüsseltechnologie für die Nutzung sauberer Energie.

Europa Ende des 18. Jahrhunderts: Die Erzeugung von Strom ist ein großes Rätsel. Irgendwie magisch. Auf Jahrmärkten sorgen Gaukler mit einfachen Elektrisiermaschinen für Spektakel. Doch Alessandro Volta gelingt es, den Aufbruch ins elektrische Zeitalter einzuleiten. Der Wissenschaftler und Erfinder entwickelt einen Apparat, der erstmals gezielt über einen längeren Zeitraum elektrischen Strom fließen lässt.

Volta war frühzeitig klar, was er wollte. Bereits als Jugendlicher machte er sich im Selbststudium mit den Grundlagen der Elektrizität vertraut. Mit 18 Jahren beschloss er, gegen den Willen seines erziehungsberechtigten Onkels, Experimentalwissenschaften zu studieren.

Die richtige Entscheidung – in Folge lieferte er bahnbrechende Arbeiten, vor allem auf dem Gebiet der Elektrizitätslehre: Volta entwickelt einen brauchbaren Elektrophor, eine einfache Spannungsquelle, die auf Reibungselektrizität beruht. 1776, als Physikdozent am städtischen Gymnasium in Como / Italien, entdeckt er das brennbare Gas Methan und konstruiert damit die sogenannte Volta-Pistole. Sie erzeugt einen elektrischen Funken, durch den sich das Methan entzündet – ein Vorläufer des Gasfeuerzeugs. Zwei Jahre später wird er Professor für Experimentalphysik an der Universität Pavia / Italien. Hier wird 1787 seine Laufbahn ihren Höhepunkt erreichen: Alessandro Volta kombiniert verschiedene Metalle miteinander und stellt fest: Bei Berührung laden sich die Metalle unterschiedlich auf – es entsteht eine elektrische Spannung. Diese Erkenntnis setzt er mit seiner „Volta’schen Säule“ in die Praxis um (siehe Kasten).

Die Glühbirne, der Stromgenerator, der Elektromotor – unsere gesamte elektrifizierte Welt gründet auf Voltas Erfindung: der ersten praktisch einsetzbaren Stromquelle. Auf dieser Grundlage geht 1802 erstmals eine Batterie in Massenproduktion. Alessandro Volta wird mit Ruhm überhäuft: Die Londoner Royal Society verleiht ihm mit der Copley- Medaille die höchste wissenschaftliche Auszeichnung seiner Zeit. Auch Napoleon ist begeistert und ernennt ihn erst zum Senator, später zusätzlich zum Grafen.

Die höchste Ehre erlebt Volta allerdings nicht mehr: 1881, 54 Jahre nach seinem Tod, wird auf dem ersten elektrischen Weltkongress in Paris die Einheit für elektrische Spannung nach ihm benannt – in „Volt“.

Michael Thackeray, PhD, der im südafrikanischen Pretoria aufgewachsen ist, begann sich schon früh für Naturwissenschaften zu interessieren. Seine Leidenschaft für Chemie wurde in seinem zweiten Jahr an der Universität von Kapstadt geweckt, als er die Schönheit von Kristallen entdeckte. „Das war ein Aha-Erlebnis für mich“, so Thackeray. „Ich weiß noch, dass ich gesagt habe, ich könne mir vorstellen, auf diesem Gebiet zu arbeiten.“

Nach seinem Abschluss mit einem Master of Science in Chemie im Jahr 1973 kam ihm nichts weniger in den Sinn als eine Karriere im Fachgebiet schmierig-schmutziger Batterien. Als er jedoch beim Council for Scientific and Industrial Research (CSIR) in Pretoria anfing, war gerade die Ölpreiskrise im Nahen Osten ausgebrochen. Dies löste einen weltweiten Wettlauf bei der Entwicklung wiederaufladbarer Batterien aus. Johan Coetzer, der Mentor von Thackeray beim CSIR, hatte begonnen, kristalline silberionenleitende Festelektrolyten zu erforschen, was Thackeray einen ersten Einblick in die Beziehungen von Kristallstrukturen zu elektrischer Energie ermöglichte. Gemeinsam arbeiteten sie an der Entwicklung neuer Technologien für Natrium- und Lithium-Hochtemperaturbatterien. Thackeray war fasziniert von den Möglichkeiten, die Lithium bot, und bewarb sich für eine Zusammenarbeit mit Professor John Goodenough, einer internationalen Koryphäe im Bereich Metalloxide an der Universität von Oxford in England.

1981 zog er mit seiner Familie nach Oxford und begann, das Verhalten von Spinell-Oxidelektroden bei Raumtemperatur zu erforschen (siehe Kasten). Seine Forschung zu Reaktionen bei Einlagerung von Lithium hat zum Einsatz diverser Spinell-basierter Materialien für Elektroden in Lithiumionen-Batterien geführt – die Akkutechnologie, die heute bei elektronischen Geräten und Elektroautos dominiert.

Seit 1994 leitet Thackeray ein Team beim gemeinnützigen Argonne National Laboratory in den USA. Es entwickelt Materialien für Festkörper-Lithium-Polymer-Batterien für stationäre Energiespeicher und konzipiert Kompositelektrodenstrukturen, die die Leistung und Sicherheit von Lithiumionen-Batterien erhöhen.

Im Alter von mittlerweile 67 Jahren arbeitet Thackeray weiterhin an der Verbesserung von Kompositelektroden, indem er eine Spinellkomponente in die Struktur einführt. „Dieser Ansatz ist wirklich vielversprechend“, stellt er fest. „Außerdem wollen wir die Energie des in den Metalloxidstrukturen enthaltenen Sauerstoffs nutzen – eine noch anspruchsvollere Aufgabe.“

Die Volta’sche Säule

Alessandro Volta entdeckte Metalle als Quelle der Elektrizität – eine Erkenntnis, die es ihm erlaubte, die Volta’sche Säule zu entwickeln: übereinandergeschichtete Zink- und Kupferscheiben, dazwischen in Salzwasser getauchte Pappe. Diese sogenannte „Galvanische Zelle“ produziert elektrische Spannung, indem die Zinkscheibe Elektronen abgibt.

Daraufhin entsteht ein Elektronenüberschuss und damit negative Ladung. Das Kupfer wiederum nimmt die Zinkelektronen auf, so dass Elektronenmangel und positive Ladung entstehen. Werden der Plus- und Minuspol, die beiden Enden dieser Volta’schen Säule, verbunden, fließt elektrischer Strom. Noch heute funktionieren viele Batterien nach diesem Prinzip – etwa in Minidimension in Hörgeräten.

Was sind Spinelle?

Spinelle sind Kristalle mit einer kubischen Struktur, durch die sich Lithiumionen in drei Dimensionen bewegen können. Durch diese Struktur wird der Ladungs- und Entladungsprozess in einer Batterie erheblich beschleunigt, weil sich die Ionen zwischen den beiden Elektroden hin und her bewegen können.

An der Universität von Oxford in England hat Michael Thackeray, PhD, entdeckt, dass Lithium bei Raumtemperatur in Eisenoxid- und Manganoxidspinelle eingeführt werden kann. Dies ermöglicht günstige und sicherere Elektroden.