Wiederaufladbare Batterien für Milliarden Geräte

Akira Yoshino ist als Finalist für den Europäischen Erfinderpreis 2019 nominiert

10.05.2019 - Deutschland

Das Europäische Patentamt (EPA) gibt die Nominierung des japanischen Chemikers und Ingenieurs Akira Yoshino für den Europäischen Erfinderpreis 2019 bekannt. Er ist einer von drei Finalisten in der Kategorie "Nicht-EPO-Staaten". Damit werden seine Erfindung und Weiterentwicklung der Lithium-Ionen-Batterietechnologie gewürdigt, die heute Milliarden von Geräten auf der ganzen Welt mit Energie versorgt.

Yoshino hat in der industriellen Forschung und Entwicklung Pionierarbeit geleistet und die Materialien und Merkmale entwickelt, die Lithium-Ionen-Batterien sicher funktionieren lassen. Heute setzt er seine Arbeit als Berater und Ehrenmitglied der Asahi Kasei Corporation fort - der Firma, bei der er seine Technologie entwickelte und die sie weltweit vermarktete.

„Akira Yoshino hat die Grundlage für die heutige Lithium-Ionen-Technologie und -Industrie geschaffen", sagte EPA-Präsident António Campinos über die Nominierung von Yoshino als Finalist für den Europäischen Erfinderpreis 2019. „Dank ihm gibt es wiederaufladbare Batterien. Das hat einen großen Einfluss auf unsere Gesellschaft. Batterien betreiben die mobilen Geräte, die Menschen heute weltweit miteinander verbinden."

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Von Einweg zu wiederaufladbar

Batterien sind aus dem modernen Leben nicht mehr wegzudenken. Sie versorgen eine Vielzahl tragbarer elektronischer Geräte mit elektrischer Energie. Heute ist der Lithium-Ionen-Akku am weitesten verbreitet. Vor seiner Erfindung wurde die gesamte Elektronik mit Strom aus dem Netz oder mit Batterien betrieben, welche die in ihren chemischen Verbindungen gespeicherte Energie durch irreversible Reaktionen freisetzten. War die im Material enthaltene Energie verbraucht, wurden die Batterien entsorgt. Für Hersteller, die in den 80er Jahren tragbare elektronische Produkte wie Videokameras, Notebooks und Mobiltelefone entwickelten, stellte dies ein Problem dar. Ihre neuen Geräte benötigten einen kleinen, leichten Akku mit ausreichender Speicherkapazität. Die damals gebräuchlichen wiederaufladbaren Blei-Säure- und Nickel-Cadmium-Batterien waren jedoch schwer und zu voluminös für die mobilen Geräte.

Akira Yoshinos wissenschaftliche Arbeiten haben dazu beigetragen, diese Herausforderung zu lösen. Nach seinem Master-Abschluss in Petrochemie an der Kyoto-Universität im Jahr 1972 trat Yoshino in die Forschungsabteilung des japanischen Chemieunternehmens Asahi Kasei Corporation ein. Bis heute ist er dort als Berater und Ehrenmitglied (Honorary Fellow) tätig. Seine frühen Forschungen konzentrierten sich auf elektrisch leitfähige Polymere - insbesondere Polyacetylen -, die als Anodenmaterial in Batterien verwendet werden können. Da leichtes metallisches Lithium aufgrund der Explosionsgefahr dafür nicht in Frage kam, war für Yoshino klar, dass hier nur ein neuer Ansatz mit einem sicheren Material weiterhelfen würde.

Seine Forschung brachte ihn zur Entwicklung eines neuen Batterietyps mit einer Polyacetylenanode und einer Lithiumkobaltoxidkathode. Beide Materialien weisen Eigenschaften auf, die damals erst entdeckt worden waren: So hatte der japanische Chemiker Hideki Shirakawa 1977 herausgefunden, dass Polyacetylen leitfähig ist, während der amerikanischen Physiker John Goodenough 1979 entdeckte, dass Lithium-Cobaltoxid als Verbindung auch an der Luft stabil bleibt. Die Verwendung dieser Materialien machte es Yoshino möglich, Batterien zu entwickeln, die stabiler waren als andere Akkus, die sich damals in Entwicklung befanden, denn diese waren häufig leicht entflammbar. Yoshino führte auch eine dünne poröse Membran auf Polyethylenbasis ein, die als Trennwand zwischen den Materialien fungiert. Diese Membran hat eine Sicherheitsfunktion: Sobald sie schmilzt, wird die Funktion der überhitzten Batterie gestoppt, bevor sie in Brand gerät. Diese chemische Sicherung wird heute immer noch eingesetzt, um das Brandrisiko für Lithium-Ionen-Batterien zu verringern. Sie wird nicht nur im Labor, sondern auch in Endprodukten für Verbraucher eingesetzt.

Die erste Lithium-Ionen-Batterie wurde 1983 hergestellt. Im selben Jahr reichte die Asahi Kasei Corporation die japanische Patentanmeldung für Yoshinos wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterie ein und begann mit deren Vermarktung. Yoshino forschte weiter an seiner Batterietechnologie und verbessert sie kontinuierlich. 1985 tauscht er das Material einer Elektrode durch einen effizienteren kohlenstoffhaltigen Ersatz aus, weshalb die Batterie über viele Lade- und Entladezyklen hin funktionieren kann. Auch steigerte er die Leistung der Batterien, indem er einen Aluminium- und Kupferfolienverbinder und einen organischen Lösungsmittelelektrolyten einsetzte. Damit erhöhte er die Spannung von 1,5 auf über 4 Volt und erreichte auch eine höhere Speicherkapazität. Diese Verbesserungen wurden ebenfalls durch Patente geschützt. Heute wird Yoshino in 56 japanischen und 6 europäischen Patenten als Erfinder aufgeführt. Die vielen Verbesserungen haben der Lithium-Ionen-Batterie zum Durchbruch und kommerziellen Erfolg verholfen und andere Batterietechnologien abgehängt.

Aufgeladen im globalen Markt

Yoshinos Erfindung hat dazu beigetragen, einen Massenmarkt für tragbare elektronische Geräte zu erschließen - von Camcordern bis hin zu Laptops. Wiederaufladbare Batterien werden heute weltweit in fast fünf Milliarden Mobiltelefonen verwendet. Yoshinos Erfindungen bilden ebenfalls die Basis für Elektrofahrzeuge, in denen immer mehr Lithium-Ionen-Batterien verbaut werden.

Für die Asahi Kasei Corporation sind Yoshinos Erfindung und deren Verbesserungen nach wie vor von großer Bedeutung. „Die Idee, unsere Patente zu lizenzieren, hat es vielen Unternehmen ermöglicht, Lithium-Ionen-Batterien herzustellen. Der Markt kann dadurch viel schneller wachsen - und den Kunden kommt es ebenfalls zugute. Das ist eine einfache Möglichkeit, neue Technologien einzuführen," sagt Yoshino. Unter anderem wurde das Patent an Sony lizenziert, das die Technologie 1991 auf den Markt brachte. Obwohl die Basispatente abgelaufen sind, haben es Yoshinos Weiterentwicklungen der Asahi Kasei Corporation ermöglicht, ihre Marktpräsenz aufrechtzuerhalten: bis 2016 hielt die Firma 17 Prozent des Weltmarktanteils für Lithium-Ionen-Batterieseparatoren. Das in Tokio ansässige Unternehmen beschäftigt heute fast 35 000 Mitarbeiter und erwirtschaftet einen Jahresumsatz von 15,6 Milliarden Euro.

Yoshinos setzt seine Arbeit auch heute noch fort. Der Erfinder entwickelte kürzlich neue Schritte zur Verbesserung der Sicherheitsstandards und zur Steigerung der Batterieeffizienz. Seine Pionierarbeit ist für den weltweiten Markt für Lithium-Ionen-Batterien immer noch von großer Bedeutung und hat Einfluss auf dessen Entwicklung. Der Markt selbst wächst schnell: Von geschätzten 26,5 Milliarden Euro 2017 auf mehr als prognostizierte 80 Milliarden Euro 2025.

Für Yoshino ist seine Erfindung untrennbar verbunden mit der ständig wachsenden Zahl an Geräten, die mit ihr betrieben werden. So nutzt er im Alltag die Technologie, die er selbst entwickelt hat - ob in seinem Laptop, Handy, Rasierer oder in Elektrowerkzeugen. „Forschung muss die Bedürfnisse des Marktes immer im Hinterkopf haben", sagt er, „und diese Bedürfnisse müssen recherchiert werden."

https://www.chemie.de/news/1160955/wiederaufladbare-batterien-fuer-milliarden-geraete.html