Der Ölkonzern, der die E-Auto-Revolution auslöste

00:00:00: Willkommen zu Geladen, dein Batterie Podcast zur Energiewende.

00:00:04: Ich bin Daniel und heute nehme ich euch mal mit auf eine Reise!

00:00:08: Eine Reise die in einem Ölkonzernlabor irgendwo in den USA beginnt über die Universitäten in Oxford und Tokio führt und schließlich in jedem Smartphone, jedem Elektroauto und jedem Heimspeicher der Welt endet.

00:00:34: Aber bevor wir in die Vergangenheit reisen, lasst uns noch mal kurz innehalten und schauen wo wir denn eigentlich heute bei den Lithium-Ionen-Batterien stehen.

00:00:42: Denn die Dimension dessen was da in den Atemberaubend.

00:00:50: Weltweit werden heute jährlich rund eineinhalb Tonne Terawattstunden an Lithium-Ionenzellen produziert, der weltweite Markt für Lithiummioenbatterien, der überschritt im Jahr zwanzigzwanzig die Marke von hundertfünfzig Milliarden US Dollar ein Plus von über zwanzich Prozent gegenüber dem Vorjahr.

00:01:09: Warum dieses explosive Wachstum?

00:01:11: Na ja ganz ehrlich da reichen eigentlich zwei Worte Elektromobilität und Energiewende.

00:01:17: Die Lithium-Ionenbatterie ist heute das Herzstück der globalen Energietransformation.

00:01:23: ohne sie kein Elektroauto mit akzeptabler Reichweite, ohne sie keine wirtschaftliche Heimspeiche für Photovoltaikanlagen, ohne Sie auch keine stabilen Netze die Schwankungen aus Wind und Solarenergie Ausgleichen können.

00:01:37: Und dass sich die Lithium-Ionen-Technologie wirklich überall durchgesetzt hat, ja das liegt auch ganz wesentlich an den purzeln Preisen über die wir hier auch immer regelmäßig in diesem Podcast berichten.

00:01:49: Seit Jahrzehnts sind die durchschnittlichen Batteriekosten um satte neunzig Prozent gesunken Dank Fortschritten in Chemie, aber eben auch der Fertigung.

00:02:00: Ja und dann ist da noch die Energiedichte also die Frage wie viel Energie pro Masse gespeichert werden kann?

00:02:07: Beim E-Auto entscheidet das, dass wissen die meisten Zuschauer hier in diesem Podcast genau über die Reichweite.

00:02:14: Als Sony, deklar, die erste kommerzielle Lithium-Ionen-Batterie auf den Markt brachte, da lag die Energiedichte bei rund achtzig Wattstunden pro Kilogramm.

00:02:24: zum Vergleich ein Bleiakku der schaffte gerade mal dreißigwattstunnen pro Kilagramm.

00:02:29: Die ersten Lithiumionenzellen waren also schon damals fast drei Mal so energiedicht wie die Konkurrenz.

00:02:36: Ja, und heute?

00:02:37: Moderne Hochenergiezellen wie sie in Elektroautos stecken die erreichen Werte zwischen zweihundertfünfzig-und über zweihundertseipzig-Wattstunden pro Kilogramm.

00:02:46: Das ist eine Verfielfachung in einer einzigen Generation von Ingenieuren und Forschern!

00:02:52: Wenn man sich das mal überlegt eigentlich unglaublich... Aber wie ist es denn dazu gekommen?

00:02:57: Wie ist das

00:02:57: passiert?!

00:02:58: Wer hat diese Technologie erfunden, unsere Welt antreibt.

00:03:04: Wir schreiben das Jahr neunzehntundertdreiundsiebzig, die Welt befindet sich in der ersten großen Ölkrise!

00:03:10: Die OPEC drosselt die Fördermenge, die Benzinpreise explodieren und plötzlich fragt sich auch der mächtigste Ölkonzern der Welt was kommt nach dem Öl?

00:03:22: Exxon – ja genau ihr habt jetzt gerade richtig gehört dieses Exxons dass später die äußerst erfolgreiche Kampagne zur Leugnung des Klimawandels anführte.

00:03:31: Exxon beschließt, in alternative Energietechnologien zu investieren.

00:03:36: Und einer der Männern die dabei im Rampenlicht stehen ist ein junger britischer Chemiker namens M Stanley Whittingham.

00:03:45: Der arbeitet gerade an Supraleitern und interessiert sich nebenbei brennend für ein unscheinbares Element im Periodensystem – nämlich Lithium!

00:03:56: Lithium ist das drittleichteste Element, es ist das leichteste Metall, dass wir kennen und es hat ein elektrochemisches Potenzial des schlicht konkurrenzloses.

00:04:06: Kein anderes bekanntes Element kann in einer Batterie eine so hohe Spannung bei so geringem Gewicht liefern!

00:04:14: Für Whittingham ist das eine Art Eingebung – wenn man eine Batterie bauen will die wirklich leicht und gleichzeitig leistungsstark ist muss Lithium der Schlüssel sein.

00:04:23: Zwischen oneunzehnhundertsebzig und neunzehundessächsundsechzig, der entwickelt.

00:04:27: Whittingham finanziert von Exxon eine Zelle bei der die Kathode aus Titanen Diesel-Feed besteht.

00:04:34: Eine Material des Lithium-Mion in seine Schichtstruktur aufnehmen und wieder abgeben kann – das nennt man Intercalation.

00:04:42: Das ist ein Konzept, das für die gesamte spätere Lithiummiontechnologie fundamental werden sollte!

00:04:49: Als Anode verwendet Whittingham metallisches Lithium damals.

00:04:54: Das Ergebnis ist verblüffend, die Zelle liefert eine Spannung von rund zwei Komma vier Volt und eine Energiedichte, die damals alles Bekannte in den Schatten stellt.

00:05:03: Whitingham hat das Prinzip bewiesen – einer wieder aufladbare Batterie mit Lithium als dem eigentlichen Energieträger funktioniert.

00:05:12: Allerdings hat das Konzept ein gravierendes Problem, metallisches Lithium haben wir auch schon häufig im Podcast besprochen – es ist hochreaktiv.

00:05:20: und an der Anode da bilden sich beim Laden und Entladen winzige Lithiumdendriden also nadelartige Kristalle die dann durch den separator wachsen und einen Kurzschluss provozieren können.

00:05:32: Die Folge ist dass die Zellen überhitzen Und ja, beim Whittingham Laptor soll die örtliche Feuerwehr für die regelmäßigen Lösch-Einsätze schon eine Art Pauschale in Rechnung gestellt haben.

00:05:45: Das ist aber vielleicht auch nur so eine Legende!

00:05:48: Als die Sicherheitsprobleme dann nicht in den Griff zu bekommen waren, da verliert Exxon langsam das Interesse an dieser Batteriezelle und das Projekt wird eingestellt.

00:05:58: Der erste Akt der Lithium-Ionengeschichte endet also damit mit einem Rückschlag.

00:06:03: Aber die wichtigste Erkenntnis, die bleibt – nämlich das Prinzip funktioniert!

00:06:31: Ja und genau das hat auch die Firma Öko-Fan erkannt.

00:06:35: Bisher eher bekannt für Heizung, da haben sich die Österreicher jetzt eine richtig innovative Lösung für eine smarte vernetzte Regelungen von heimischen Hauptenergieverbrauchern überlegt.

00:06:46: Öko Fan nennt seinen Batteriespeicher Wärmeintelligent!

00:06:50: Und genau das ist er nämlich – Die Greenbox, die verknüpft alles miteinander Deine PV Anlage, die Wallbox, das E-Auto, die Wärmepumpe und den Akku immer mit dem Ziel der maximalen Eigenstromnutzung, um hohe externe Stromkosten zu vermeiden.

00:07:06: Ja und natürlich gepaart mit einer möglichst profitablen netzdienlichen Einspeisungen!

00:07:11: Und was die Greenbox mit seinem Energiemanagement vor allem löst – das ist die intelligente Speicherung-und PV-Überschussmanagement einerseits und andererseits eben der günstige Zugauf von Strom zum genau richtigen Zeitpunkt mit dynamischen Tarifen….

00:07:27: Wenn die Greenbox zum Beispiel anhand von Wetterdaten und Sonnenstand bereits am Vormittag einen hohen Ertrag an Solarstrom prognostiziert, dann wird das Laden der Batterie zunächst verzögert und stattdessen zum Beispiel der elektrische Heizstab aktiviert.

00:07:43: So bleibt die Wärmepumpe ausgeschaltet und der Batteriespeicher ist bei Sonnuntergang trotzdem vollständig geladen.

00:07:49: Liebes Publikum ihr seht diese Greenbox von Ökofen, die sorgt Perfekt kombiniert mit einer Wärmepumpe für maximale Unabhängigkeit und günstigste Energiebetriebskosten.

00:08:01: Und vielleicht das Beste, sie ist jederzeit in schon bestehenden PV-Anlagen integrierbar und funktioniert mit einer echt tollen benutzerfreundlichen App!

00:08:11: Also, optimier auch du da draußen dein Energiemanagement mit der Greenbox von Öko-Fan.

00:08:17: Egal ob du einen Elektrofachbetrieb hast oder ob du dich als Endkunde für die Greenbox interessiert, klick gerne mal auf den Link unter dem Podcast.

00:08:26: Lieferbar ist die GreenBox tatsächlich ab sofort in ganz Deutschland und Österreich!

00:08:32: So, jetzt springen wir mal ins Jahr, der Schauplatz, der wechselt von amerikanischen Ölabors an die ehrwürdige Oxford-Universität in England.

00:08:42: Und auf die Bühne da tritt ein Mann, der die Wissenschaft mit einem ungewöhnlichen Ansatz bereichert – der amerikanisch-britische Physiker und Ingenieur John B. Goudinav ist ein außergewöhnlicher Mensch.

00:08:56: Er beginnt seinen Physikstudium erst mit vierundzwanzig Jahren nach dem Zweiten Weltkrieg, er promoviert mit neunundzwantzig und macht einige seiner wichtigsten Entdeckungen erst als manche andere Wissenschaftler längst in Ruhestand sind.

00:09:10: Als er in den Ochswort arbeitete, war er bereits achtundfünfzig Jahre alt.

00:09:16: Good enough kennt Whittingham's Arbeit und er ist überzeugt, dass das Kartonmaterial der Schlüssel zu besseren und sicheren Batterien ist.

00:09:25: Whittinghams Titan Dieselfeed liefert rund zwei Komma vier Volt und er hält das für optimierbar!

00:09:31: Good enough sucht nach Metalloxiden nicht nach Metallsulfiden.

00:09:36: Seine Überlegung ist, dass Oxide mit einem höheren elektrochemischen Potential mehr Spannungen liefern können Und er wird fündig, in den letzten Jahren veröffentlicht sein Team die Entdeckung, dass Lithium-Cobaltoxid eine hervorragende Kathode für wiederaufladbare Batterien ist.

00:09:53: Das Ergebnis ist sendationell – mit Lithium Cobaldoxid lassen sich Zellspannungen von rund vier Volt erreichen, fast das doppelte von Whittinghams Design.

00:10:03: In den vergangenen Jahren wird die Entwicklung patentiert durch das britische Atomic Energy Research Establishment Und Goudinav selbst, der verzichtet auf Lizenzgebühren.

00:10:13: Ihm geht es offensichtlich ums Prinzip nicht um das Geld.

00:10:17: und so passiert etwas... Tragisches, das Patent liegt erst mal ungenutzt in der Schublade.

00:10:23: Die britische Industrie erkennt den Wert dieser Entdeckung erstmal nicht – aber dann wie manchmal in der Wissenschaft spielt der Zufall eine entscheidende Rolle!

00:10:32: Wir befinden uns jetzt im Dezember twondenundertzehnundachtzig.

00:10:36: Akira Yoshino Chemiker beim japanischen Unternehmen Asahi Kasei steckt mitten in einem Forschungsprojekt zu leitfähigen Polymären.

00:10:46: Er experimentiert gerade mit einem Anodenmaterial für Batterien.

00:10:50: Sein Büro wird für die jährliche Generalreinigung vorbereitet, Yoshino räumt ein bisschen auf und dabei nimmt er offensichtlich eine ausländische Forschungsarbeit zur Hand, die er schon vor Monaten bestellt hatte aber eben nie gelesen hatte.

00:11:05: Er blättert also ein bisschen durch das Papier und hält plötzlich inne.

00:11:10: Da steht es nämlich Lithium-Kobaltoxid als starke Katode für wiederaufladbare Batterien.

00:11:16: Das einzige Problem, schreibt Gudinov in der Forschungsarbeit – Es gibt noch keine passende negative Elektrode dazu!

00:11:25: Und genau diese negative Elektrude hat Yoshino.

00:11:28: Er kombiniert Gudinovs Katode mit seiner Polyacytylenanode und tatsächlich die Kombination funktioniert.

00:11:37: Sie ist stabiler als alle anderen Zellkonzepte jener Zeit, die häufig gefährlich leicht entflammbar waren.

00:11:44: Der Zufallsfund bringt hier also zwei voneinander unabhängige Forschungslinien zusammen und legt damit den Grundstein für die moderne Lithium-Ionenbatterie.

00:11:55: Aber Yoshino ist noch nicht fertig – Polyacytylen hat seine Tücken!

00:12:00: Es ist nicht optimal stabil und die langfristige Leistungsfähigkeit lässt auch zu wünschen übrig.

00:12:06: Also sucht er weiter….

00:12:10: Da macht er den entscheidenden Schritt.

00:12:13: Er ersetzt das Polyacytiläen durch Kohlenstoffhaltiges Material, dass Lithium-Ion sicher in seine Struktur einlagern kann ohne das metallisches Lithium im Spiel ist.

00:12:26: und damit umgeht er das zentrale Sicherheitsproblem an dem Whittingham damals gescheitert war.

00:12:32: Ja, die Eleganz von Yoshinos Konzept liegt im sogenannten Schaukelstuhl-Prinzip.

00:12:37: Beim Laden da wandern Lithium-Ionen von der Kathode durch einen Elektrolyt zur Kohlenstoffanode.

00:12:44: Beim Entladen wandern sie wieder zurück – die Ionen schaukeln wie auf einem Schaukelestuhl zwischen den Elektronen hin und her!

00:13:16: Und hier kommt ein Ingenieur ins Spiel, über den die wenigsten je etwas gehört haben.

00:13:22: Isau Kuribayashi von Azaikazei.

00:13:26: Er ist überzeugt, dass Yoshinos Batterie das Potenzial hat die Elektronikindustrie zu revolutionieren aber die Kommerzialisierung die stockt.

00:13:35: also handelt er auf eigene Initiative ohne formelle Genehmigung.

00:13:41: Er lässt von einem amerikanischen Unternehmen funktionierende Prototypen zusammenbauen und präsentiert einen davon persönlich bei Sony.

00:13:50: Sony erkennt sofort, das ist die Batterie auf die wir gewartet haben.

00:13:54: Der Elektronikkonzern sucht seit Jahren nach einem leichten, wiederaufladbaren Energiespeicher für seine tragbaren Videokameras.

00:14:02: Sony überarbeitet das Design nochmal und tauscht die Anode gegen Grafit aus – ein Material, das noch besser als Anodenmaterial geeignet ist und eine höhere Zyklenfestigkeit bietet!

00:14:14: Dann beginnt die Ingenieure mit der Skalierung für die Massenproduktion.

00:14:18: Und, nineteenhundertneinundneunzig ist es soweit – Sony bringt die erste kommerzielle Lithium-Ionenbatterie auf den Markt eingebaut in eine Videokamera!

00:14:27: Ja und der Markt, der reagiert damals sofort?

00:14:30: Konkurrenten wie Panasonic oder Sanio, die beginnen ebenfalls mit der Produktion Und in den frühen Jahrhunderten übernehmen Hersteller wie Dell die neue Technologie dann auch für ihre Laptops.

00:14:42: John B. Good-Enough, der kommt jetzt wieder ins Spiel und entdeckt zusammen mit seinem Team an der mittlerweile Universität Texas – in Austin in den Jahren nineteenzeixneunzig siebenneinzig noch Lithium Eisenfosphat kurz LFP als Kartonmaterial, das wir heute ja alle von den Elektroautos kennen und der steilen Karriere, die es in den Antriebsbatterien chinesisch Hersteller hingelegt hat.

00:15:18: Wenn wir jetzt heute auf diese Geschichte zurückblicken, dann ist sie vor allem eins aus meiner Sicht ein Lehrstück über Geduld und internationale Zusammenarbeit.

00:15:28: Kein einzelner hätte das alleine geschafft – die Lithium-Mion-Batterie ist das Ergebnis einer globalen jahrzehntelangen kollektiven Anstrengung!

00:15:37: So, das war's für heute bei geladen?

00:15:39: Wenn euch dieser Episode gefallen hat, dann abonniert ihr auch den Kanal hinterlasst uns gerne einen Like und schreibt uns auch gerne einen Kommentar Bis zum nächsten Sonntag.

00:15:48: Macht's gut, ciao!

00:16:11: Bedanken wollen wir uns bei all unseren Gesprächsgästen, speziell unseren Partnerinstituten und natürlich allen die hinter den Kulissen sonst noch so mitwerken.

00:16:37: dem Center for Electrochemical Energy Storage Ulm und Karlsruhe, eine Forschungsplattform des Karls-Rohre Instituts für Technologie und der Universität Ulm.

00:16:46: Außerdem unterstützen diesen Podcast das Zentrum für Sonnenenergie und Wasserstoffforschung Baden-Württemberg.