Mit 54 Jahren in die Branche eingestiegen, mit 97 Jahren den Nobelpreis gewonnen, ein legendäres Leben von „gut genug“ und „alt genug“

Am 26. Juni 2023 verstarb John Goodenough, ein amerikanischer Physiker, Chemiker und einer der Erfinder der Lithium-Ionen-Batterien. In einem Monat wäre er 101 Jahre alt geworden. Im Jahr 2019 erhielt er den Nobelpreis für Chemie und war damit der älteste Preisträger seiner Zeit. Aufgrund seines Nachnamens lernte die Welt diesen „gut genug“ alten Mann kennen. Seine bekannteste Arbeit betrifft natürlich das Gebiet der Lithium-Ionen-Batterien, ein Gebiet, in das er im Alter von 54 Jahren einstieg. Er ist seit Jahrzehnten auf diesem Gebiet aktiv und steht mit fast 100 Jahren immer noch an vorderster Front der wissenschaftlichen Forschung. Darüber hinaus ist er ein bedeutender Festkörperphysiker und hat herausragende Beiträge auf den Gebieten der Metalloxide, des Magnetismus und der Hochtemperatur-Supraleitung geleistet. Mit diesem Artikel möchte ich Professor Goodenough gedenken. Dieses Leben war gut genug.

Geschrieben von Liu Xinwei

Einige von uns sind wie Schildkröten; wir bewegen uns langsam, haben Mühe und finden es vielleicht erst mit 30 heraus. Aber diese Schildkröten müssen weiterkriechen.

——John B. Goodenough

Jeden Morgen vor 8 Uhr kam ein weißhaariger und energischer alter Mann in ein Büro der Fakultät für Maschinenbau an der University of Texas in Austin. Er ist John B. Goodenough. Der 97-jährige Cockrell Centennial Professor – der gerade den Rekord als ältester Nobelpreisträger gebrochen hat – teilte sich den Nobelpreis für Chemie 2019 mit M. Stanley Whittingham und Akira Yoshino für die „Entwicklung der Schlüsseltechnologie der Lithium-Ionen-Batterien“.

Heute erfreuen wir uns an ihrer Arbeit – leistungsstarke, wiederaufladbare Batterien werden in allen möglichen Bereichen eingesetzt, von Mobiltelefonen und Laptops bis hin zu Elektroautos und sogar zur Speicherung sauberer Energie. Der offizielle Kommentar zum Nobelpreis lautet: „Sie haben eine wiederaufladbare Welt geschaffen.“

Tatsächlich begann Goodenough erst mit über 50 Jahren mit der Erforschung von Lithiumbatterien. Er erhielt den Nobelpreis im Alter von 97 Jahren, also im Alter von „alt genug“, doch er arbeitete weiterhin hart an vorderster Front der wissenschaftlichen Forschung – gerade weil er das Gefühl hatte, nicht gut genug zu sein.

Sein legendäres Leben geht weiter.

Teenager mit Legasthenie wird in Yale angenommen

Goodenough wurde im Sommer 1922 in Jena, Deutschland, geboren. Sein Vater, Erwin Goodenough, promovierte zu dieser Zeit an der Universität Oxford. Er war der Meinung, dass deutsche Ärzte bei Kaiserschnitten erfahrener seien, und so brachte er seine Frau kurz vor der Entbindung in einem Ochsenkarren nach Jena. Im folgenden Jahr schloss Erwin Goodenough sein Studium ab, kehrte in die USA zurück und lehrte an der Yale University. Die Erinnerungen von Little Goodenough beginnen in einem Vorort von New Haven, Connecticut.

Links: John Goodenough und sein Bruder Ward; Mitte: Goodenough um 1930; Rechts: Goodenough und seine Schwester Hester (rechts). Bildquelle: nobelprize.org

Goodenough liebte die Natur seit seiner Kindheit und Insekten fangen und Löcher graben war für ihn kein Problem, aber seine Kindheit war nicht glücklich. Sein engster Spielkamerad war ein Hund namens Mack. Goodenough lernt auch gern, doch das Lesen fiel ihm in der Anfangszeit schwer – man sagte ihm, er leide unter einer nicht diagnostizierten Legasthenie, weshalb er damals nach eigener Aussage ein „schlechter Schüler“ war. Um seinem drei Jahre älteren Bruder auf die Groton School (die beste Privatschule der USA) folgen zu können, brachte er sich zur Vorbereitung auf die Aufnahmeprüfung selbst Lesen und Schreiben bei. Er wurde schließlich zugelassen und erhielt ein Stipendium. Das ließ ihn seufzen: „Ich glaube immer noch, dass das ein Rätsel ist!“

Goodenough ist davon überzeugt, dass ihm die anspruchsvolle Ausbildung an der High School sehr zugute kam und er schließlich an der Yale University zugelassen wurde. Doch im Vergleich zum Studium macht ihm Sport mehr Spaß, da er dabei seine Figur und seine zwischenmenschlichen Beziehungen pflegen kann.

Die Elite Amerikas stammt oft aus hervorragenden Familien, und Goodenough ist da keine Ausnahme. Sein Vater wurde später ein berühmter amerikanischer Religionswissenschaftler und sein Bruder ein berühmter Anthropologe, wodurch der seltene Nachname Goodenough für immer in die Geschichte eingegangen ist. Doch ihr Familienleben war nicht harmonisch und Goodenough bezeichnete die Ehe seiner Eltern sogar als „Katastrophe“. Aus religiösen Gründen ließen sich Goodenoughs Eltern scheiden, bevor er mit dem College begann, und sein Vater heiratete bald darauf seine Forschungsassistentin. Erst als er aufs College ging, fühlte sich Goodenough von der schlechten Beziehung befreit.

1940 gab ihm sein Vater 35 Dollar und sagte: „Geh, Sohn, geh aufs College.“ 35 Dollar können kaum als Bruchteil der Studiengebühren angesehen werden, aber Goodenough stellte klar, dass er keinen Cent des Geldes seiner Familie ausgeben würde. Auf Anordnung des alten Direktors gab Goodenough in seiner Freizeit Nachhilfe für Schüler aus wohlhabenden Familien. Goodenough erinnerte sich: „Ich habe 21 Stunden pro Woche für 21 Mahlzeiten gearbeitet.“ Dank Stipendien und der Hilfe von Freunden führte Goodenough ein gutes Leben.

Nach seinem Eintritt in die Universität hatte Goodenough kein klares Lernziel. Vielleicht war es der geisteswissenschaftliche Hintergrund seiner Familie, der ihn dazu veranlasste, zunächst geisteswissenschaftliche Kurse zu belegen, doch Goodenough gab zu, dass er nicht gut im Lesen sei: „Ich lese nicht gern und ich kann es nicht verstehen.“ Deshalb wollte er künftig weder Geschichte noch Jura studieren. Damals hatte er das Gefühl, dass er Medizin studieren könnte, aber an Psychiatrie hatte er kein Interesse und sein Interesse an Mathematik wuchs von Tag zu Tag. Ein Mathematikprofessor namens Egbert Miles erkannte Goodenoughs Talent und ermutigte ihn, Mathematik zu studieren.

In Yale schloss er sich außerdem der mysteriösen Eliteorganisation „Skull and Bones Society“ an, einer alteingesessenen Geheimgesellschaft der Yale University, die zahlreiche amerikanische Präsidenten hervorgebracht hat (einige Verschwörungstheoretiker glauben sogar, dass sie die amerikanische Machtgesellschaft kontrollieren). Dies verleiht Goodenoughs legendärem Leben einen Hauch von Geheimnis.

Yale Skull and Bones Society, dieser Ort wird „Das Grab“ genannt. Bildquelle: Independent

Goodenough machte ein Foto mit Mitgliedern von Skull and Bones (hintere Reihe, erster von rechts auf dem Foto unten). Bildquelle: nobelprize.org

Ein Meteorologe, der kein Physiker werden will, ist kein guter Soldat

Im Winter 1941, als Goodenough im zweiten Studienjahr war, brach der Angriff auf Pearl Harbor aus. Viele seiner Klassenkameraden bereiteten sich auf den Eintritt in die Armee vor, und Goodenough bildete da keine Ausnahme. Professor Egbert Miles kannte Goodenoughs Talent und sagte zu ihm: „Gehen Sie nicht wie alle anderen zum Marine Corps. Für die meteorologische Forschung müssen sie über ein gewisses mathematisches Verständnis verfügen.“ Goodenough wurde nicht gesagt, dass er sich sofort melden solle, sondern dass er sein Studium beenden solle. Allerdings hatte er zu diesem Zeitpunkt erst einen Kurs im Fachbereich Mathematik absolviert.

In nur zweieinhalb Jahren schloss Goodenough sein Mathematikstudium in Yale ab und wurde anschließend zum Heereswetterdienst eingezogen, der auf einer kleinen Insel vor der Küste Portugals stationiert war. Da der „Jetstream“ zu dieser Zeit noch nicht entdeckt war, kam es immer wieder zu Flugverspätungen. Das Militär möchte, dass Meteorologen wie Goodenough nicht nur das Wetter vorhersagen, sondern auch Flugzeiten und die besten Reisepläne berechnen. Besonders bemerkenswert ist vielleicht, dass er die korrekte voraussichtliche Ankunftszeit des Fluges mit Oberbefehlshaber der Alliierten, Eisenhower, angab. Da die Windrichtung nicht berücksichtigt wurde, ging dem Flugzeug natürlich der Treibstoff aus, bevor es sein Ziel erreichte.

Nach dem Krieg entschied er sich, sein Studium fortzusetzen – er wollte Physik studieren, obwohl er einen Brief vom Armeehauptquartier erhalten hatte, in dem es hieß, Goodenough solle als Meteorologe in der Armee bleiben. Nach der Lektüre des Buches „Science and the Modern World“ des Mathematikers und Philosophen A. N. Whitehead wurde ihm klar, dass die Wissenschaft einen immer stärkeren Einfluss auf die Entwicklung der Welt hatte. In seiner Autobiografie schrieb er: „Wenn ich die Möglichkeit hätte, würde ich Physik studieren.“

Goodenough während seiner Militärkarriere. Quelle: news.uchicago.edu

Als 1946 ein Telegramm verschickt wurde, in dem es darum ging, herausragende Militäroffiziere zum Studium und zur Forschung an die Universität von Chicago zu schicken, kam Goodenough an die Fakultät für Physik der Universität von Chicago. Diese Möglichkeit ergab sich auf Empfehlung seines Mathematikprofessors, der Menschen mit akademischem Potenzial die Möglichkeit geben wollte, ihr Studium an einer Graduiertenschule fortzusetzen, und dies veränderte Goodenoughs Leben grundlegend.

Als er an der Universität von Chicago ankam, erinnerte sich Goodenough noch Wort für Wort daran, was der Registrator zu ihm gesagt hatte: „Ich verstehe euch alte Soldaten nicht. Wisst ihr nicht, dass jeder, der in der Physik Großes geleistet hat, dies bereits in eurem Alter geschafft hat? Wollt ihr jetzt damit anfangen?“ Die Person, die diese leicht sarkastische Bemerkung machte, war John A. Simpson. Er war damals erst 30 Jahre alt und erst vor einigen Jahren vom Manhattan-Projekt zurückgekehrt. Vielleicht wusste er nicht, dass er einmal ein berühmter Experimentalphysiker werden würde. Goodenough war erst 24 Jahre alt. Er gab zu, dass „Durchbrüche in der theoretischen Physik meist von jungen Leuten kommen“, erkannte jedoch später, dass Physik Experimente erfordert und dass die hierfür erforderliche physikalische Intuition und die erforderlichen Durchbrüche einer langfristigen Ansammlung bedürfen.

Die Hürde für die Zulassung zur Fakultät für Physik in Chicago war damals extrem hoch. Um sicherzustellen, dass die Doktoranden echtes Wissen verstehen, war Enrico Fermi, bekannt als der letzte theoretische und experimentelle Allrounder in der Geschichte der Physik, für die Abschlussprüfung verantwortlich – 8 Stunden am Tag, 4 Tage lang. Goodenough hat die Prüfung zweimal abgelegt. Beim ersten Mal konnte er den Master-Abschluss erlangen, beim zweiten Mal bestand er die Möglichkeit, eine Promotion anzustreben, die ebenfalls eine solide Grundlage für ihn legte.

Als es an der Zeit war, sich für ein Hauptfach zu entscheiden, stellte Goodenough fest, dass der erste Kernreaktor der Welt, an dem Fermi heimlich herumbastelte, nicht für ihn geeignet war. Er wollte Festkörperphysik studieren und die Eigenschaften von Materialien untersuchen und fand daher einen anderen talentierten Physiker, Clarence Zener (der später für die Erfindung der Zenerdiode berühmt wurde). Zener entschied, dass Goodenough sein Schüler sein würde und gab ihm zwei Probleme: „Ihr erstes Problem besteht darin, das Problem zu finden, und Ihr zweites Problem besteht darin, es zu lösen.“ Goodenough hat beides getan. Er untersuchte, wie die Wechselwirkung zwischen den Grenzen der Brillouin-Zone und der Fermi-Oberfläche hexagonal dicht gepackter Metallkristalle deren Struktur verändert. (Im Impulsraum wird die Position der Fermi-Oberfläche eines Metalls durch die Elektronendichte im Leitungsband bestimmt, während die Brillouin-Zone durch die Translationssymmetrie des periodischen Potentials bestimmt wird, in dem sich die Elektronen bewegen.)

Auf einer akademischen Konferenz erhielt er sogar den Rat von Léon Brillouin selbst: „Junger Mann, Sie haben die Brillouin-Zone falsch verstanden.“ Tatsächlich war Brillouins körperliches Bild jedoch falsch und diese Forschung brachte ihm schließlich 1952 einen Doktortitel ein.

Goodenough und seine Frau Irene Wiseman. Bildquelle: nobelprize.org

Speicher für Computer entwickeln

Nach seinem Abschluss entschied sich Goodenough für eine Tätigkeit am MIT Lincoln Laboratory, wo er hauptsächlich Forschungen zum Thema Festkörpermagnetismus durchführte. Das Labor wurde mit Unterstützung der United States Air Force gegründet, um das erste amerikanische Luftabwehrsystem (später das Semi-Automatic Air Defense System, SAGE) zu bauen. Goodenough erinnerte sich: „Es war eine unglaubliche Erfahrung … Sie hatten Radar- und Kommunikationssysteme, aber keine digitalen Computer.“ Tatsächlich befand sich der erste kommerzielle Computer der Welt damals noch in der Entwicklung und verfügte nicht über die vom Militär benötigte Speicherkapazität. Goodenough begann mit Ingenieuren zusammenzuarbeiten, um Schlüsselkomponenten des Direktzugriffsspeichers (RAM) zu entwickeln, dem heutigen Computerspeicher.

Um das Problem der Erzielung einer quadratischen Hystereseschleife zu lösen, musste Goodenoughs Team geeignete magnetische Materialien als Speicherelemente finden. Als diese Arbeit abgeschlossen war, hatte die Hälfte von Goodenoughs Kollegen das Labor bereits verlassen und war in die Industrie gegangen, da sie das enorme Potenzial dieser Forschung erkannt hatten. Er arbeitete 24 Jahre lang am Lincoln Laboratory, wo er Übergangsmetalloxide untersuchte und verschiedene magnetische Materialien für Computerspeichergeräte entwickelte, was echte Forschung in Chemie und Materialwissenschaft bedeutete. Während dieser Zeit erforschte Goodenough als Physiker die Geheimnisse der Materialstruktur und schlug Theorien zum Magnetismus vor. Insbesondere entwickelte er während der Entwicklung von RAM das Konzept der kooperativen Orbitalanordnung von Oxidmaterialien (Jahn-Teller-Effekt). Die daraus resultierende semiempirische Regel von Goodeough-Kanamori wurde zu einem Meilenstein in der Festkörperphysik- und Chemieforschung und legte den Grundstein für die Konstruktion magnetischer Materialien sowie die Computerforschung und -entwicklung. Darüber hinaus forschte er intensiv zu Themen wie den magnetischen Momenten von Metall- und Sulfidatomen und dem Verhalten von Elektronen. In den 1970er Jahren entdeckte er sogar zufällig den Schlüsselmechanismus der Hochtemperatur-Supraleitung anhand des Verhaltens von Elektronen. Seine Monographie „Magnetismus und chemische Bindung“ wurde später von Studenten, die magnetische Metalle studierten, als die „Bibel“ angesehen.

Goodenoughs klassisches Buch „Magnetismus und chemische Bindung“ Quelle: Internet

Tatsächlich gefiel Goodenough seine Forschung in der Physik sogar mehr, und zwar so sehr, dass er, als er den Nobelpreis erhielt, dachte, er würde den Mott-Übergang erforschen. „Ich halte die physikalische Erforschung dieses Prozesses für sehr wichtig und bin sehr zufrieden.“ Natürlich war er nicht enttäuscht, dass er für seine Forschung den Nobelpreis verpasste. Schließlich war dies nur ein kleiner Teil seiner frühen Forschungskarriere.

Mit 54 Jahren begann er eine neue Forschungskarriere

In den 1960er Jahren wurden die Vereinigten Staaten von der Umweltverschmutzung heimgesucht. Um die Umweltverschmutzung zu reduzieren, begannen die Automobilhersteller, über die Wiedereinführung von Elektrofahrzeugen auf den Markt nachzudenken. Tatsächlich gab es in der Anfangszeit des Automobils schon früher Batterien als Verbrennungsmotoren, doch die Leistung der Batterien entwickelte sich langsam und wurde nach und nach eliminiert.

Goodenough wurde von Ford als Wissenschaftler eingeladen, eine neue Natrium-Schwefel-Batterie zu testen. Im Jahr 1969 kam Goodenough erstmals mit der Elektrochemie und Batterieforschung in Berührung und begann, sich mit der Ionenleitfähigkeit und Energiespeicherung zu beschäftigen.

Anfangs wurden mit dieser Arbeit gute Ergebnisse erzielt, doch aus Sicherheitsgründen waren die Batterien nicht für den Einsatz in Autos geeignet, sodass Ford das Projekt abbrach. Dennoch brachte das Projekt viele Vorteile mit sich: Es verschaffte den damaligen Wissenschaftlern umfassendere Erkenntnisse und weckte das Interesse der Regierung an der Energiewissenschaft. Insbesondere während der ersten Ölkrise im Jahr 1973, als die USA unter einem Ölembargo litten, begannen große Automobilunternehmen mit der Produktion von Elektrofahrzeugen und begannen staatliche Gelder in energiebezogene Bereiche zu investieren. Goodenough schrieb in seiner Autobiografie: „Unsere Abhängigkeit von ausländischem Öl hat das Land der Bedrohung durch russische Atombomben ausgesetzt.“ Goodenough hatte den Energiesektor im Visier und bereitete sich auf einen großen Schritt vor.

Lincoln Laboratory heute. Bildquelle: LinkedIn

Da das Lincoln Laboratory jedoch von der Air Force finanziert wurde, fiel die energiebezogene Forschung nicht in die Zuständigkeit der Air Force. Goodenough wusste, dass er ohne Finanzierung gehen musste. Zu dieser Zeit benötigte die Universität Oxford einen Professor zur Leitung des Labors für anorganische Chemie. In einem Interview sagte er: „Die Leute in Oxford sind sehr einfallsreich und haben eine nicht-akademische Person mit physikalischem Hintergrund eingeladen, die Leitung des Labors zu übernehmen.“ Goodenough hatte als Doktorand nur zwei Chemiekurse belegt und war der am besten geeignete Kandidat.

Tatsächlich hatte Goodenough damals eine andere Wahl, nämlich an die Universität Teheran im Iran zu gehen. Diese Option wurde von seiner Frau völlig abgelehnt, da sich der Iran mitten in einer Revolution befand.

Goodenoughs Entscheidung, nach Oxford zu gehen, wurde von seiner Frau unterstützt. Er sagte: „Das war für mich revolutionär, denn von da an war ich offiziell ein Gelehrter und ein Chemiker.“ In diesem Jahr war Goodenough 54 Jahre alt. Er wusste nicht, dass er im Bereich Batterien glänzen würde.

Die Geburt der Lithiumbatterien

Im selben Jahr veröffentlichte Whittingham, damals bei ExxonMobil, in Nature einen Artikel über eine Batterie, die eine Lithiumanode und eine Titandisulfidkathode verwendete. Die Batterie hatte eine hohe Energiedichte und er hatte ein geschichtetes Material entwickelt, das den Ionentransport ermöglichte, sodass die Batterie wieder aufgeladen werden konnte. Für diese Arbeit erhielten Whittingham und Goodenough den Nobelpreis.

Allerdings ist Lithium selbst ein äußerst aktives Element und kann sogar mit Stickstoff reagieren, was hohe Anforderungen an die Batterieproduktion und den Herstellungsprozess stellt. Andererseits bilden sich beim Laden und Entladen Dendriten auf der Oberfläche von Lithiummetall, die wie kleine „Grate“ aussehen. Wenn sie mit der negativen Elektrode in Kontakt kommen, verursachen sie einen Kurzschluss in der Batterie, was zu Selbstentzündung, Explosion und sogar zur Zerstörung des Labors führen kann. ExxonMobil hat das Projekt aus Sicherheitsbedenken aufgegeben.

Goodenough glaubte, dass diese Forschung vielversprechend sei. Seine physikalische Intuition sagte ihm, dass sich Metalloxide für die Herstellung von Batteriekathoden besser eigneten als Sulfide, da sie höhere elektrische Potentiale erzeugen konnten, obwohl er das enorme „Potenzial“ seiner Entdeckung noch nicht erkannt hatte.

Im Jahr 1980 entdeckte ein Team unter der Leitung des damals 57-jährigen Goodenough, dass sich die Leistung durch die Verwendung von Lithiumkobaltoxid (LiCoO2) fast verdoppeln ließ und eine Ausgangsspannung von 4 V erreichte. Lithiumkobaltoxid ist ein Schichtmaterial, bei dem sich Lithiumatome zwischen der oktaedrischen Struktur aus Sauerstoffatomen und Kobaltatomen befinden und frei hin- und herwandern können. Genau diese Eigenschaft brauchen Batterien. Darüber hinaus ist Lithiumkobaltoxid milder als metallisches Lithium und auch das Dendritenproblem wird verbessert. Diese Entdeckung wurde vom Nobelpreisträger offiziell als „entscheidender Schritt hin zur ‚drahtlosen Revolution‘“ gewertet.

Die Struktur von Lithiumkobaltoxid. Die violette Kugel in der Mitte ist das Lithiumatom, die rote stellt das Sauerstoffatom dar und das Kobaltatom befindet sich innerhalb der von den Sauerstoffatomen gebildeten Struktur. Bildquelle: Wiki

Allerdings wurde Goodenoughs Erfindung von der westlichen Welt nicht ernst genommen und nicht einmal die Universität Oxford war bereit, ein Patent anzumelden. Ein Grund dafür war, dass die Forschung zu alternativen Energiequellen nach der Ölkrise zurückging und Goodenoughs neue Entdeckung in Verbindung mit den schmerzhaften Lehren aus dem Fall ExxonMobil ignoriert wurde. Er musste ein anderes staatliches Labor finden, um widerwillig ein Patent anzumelden. Im Gegenteil, die Japaner haben diesen Markt erkannt. In den 1980er Jahren verbreiteten sich japanische Elektronikprodukte weltweit und es bestand ein dringender Bedarf an leichten, wiederaufladbaren Batterien.

Die Kathode der Lithium-Ionen-Batterie von Goodenough verwendet Kobaltoxid, um ihr elektrisches Potenzial nahezu zu verdoppeln. Bildquelle: nobelprize.org

Der japanische Chemiker Akira Yoshino baute auf Goodenoughs Arbeit auf und begann mit der Untersuchung von Anodenmaterialien unter Verwendung von Lithiumkobaltoxid als Kathode. Er fand heraus, dass Lithiumionen von Petrolkoks angezogen werden können. Dieses kohlenstoffbasierte Material trägt dazu bei, dass Elektronen und Ionen schneller zur Kathode fließen. Und da die Kathode selbst Lithiumionen enthält, kann die Verwendung von Petrolkoks in der Anode reines Lithium ersetzen, was die Batterie sicherer macht. Schließlich wurde dank der Errungenschaften von Yoshino Akira eine Lithiumbatterie mit hoher Kapazität und ausgezeichneter Sicherheit entwickelt – die „Lithium-Ionen-Batterie“ war geboren.

Im Jahr 1991 brachte Sony erstmals Lithium-Ionen-Batterien auf den Markt. Heute sind Lithium-Ionen-Akkus ein unverzichtbares Zubehör für jedes unserer Mobiltelefone und haben unser Leben völlig verändert. Goodenough verdiente (damals) keinen Cent an dieser Multimilliarden-Dollar-Industrie. die von ihm unterzeichneten Patente wurden lizenziert.

Die zweite Revolution der Lithiumbatterien löste einen „Weltkrieg“ aus

Goodenough hat nicht aufgehört, an effizienten wiederaufladbaren Batterien zu arbeiten. Damals legte die Universität Oxford fest, dass Professoren mit 65 Jahren in den Ruhestand gehen müssten, doch Goodenough hielt dies für zu früh. So wie sein Vater nach seiner Emeritierung in Yale ein Büro in der Harvard-Bibliothek fand, kehrte Goodenough 1986 in die Vereinigten Staaten zurück und kam an die Fakultät für Maschinenbau der University of Texas in Austin. Dies war der Beginn eines Projekts, das mehr als 30 Jahre dauerte.

Während er in Texas nach neuen Elektrodenmaterialien suchte, konzentrierte der Pragmatiker Goodenough einen Teil seiner Energie wieder auf die Grundlagenforschung, untersuchte weiterhin die elektronischen Eigenschaften von Übergangsmetalloxiden und führte Experimente zur Supraleitung durch. Er ist davon überzeugt, dass diese Forschung zu echten Innovationen führen wird. Und seine Studenten suchen weiterhin nach neuen Elektrodenmaterialien, denn Lithium-Kobaltoxid-Batterien sind nicht perfekt. Obwohl es eine hervorragende Leistung aufweist, ist es auch mit der kurzen Lebensdauer verbunden und Kobalt ist als strategisches Element extrem teuer. Um diese Probleme zu lösen, hatte Goodenough, der zu dieser Zeit noch in Oxford war, bereits damit begonnen, sein Team auf die Suche nach neuen Materialien zu schicken.

Goodenoughs physikalische Intuition sagte ihm erneut, dass Materialien mit einer Spinell-Kristallstruktur möglicherweise besser geeignet seien, da diese Art von Struktur es Lithiumionen ermöglicht, im dreidimensionalen Raum zu diffundieren, was die Effizienz verbessert. Infolgedessen erfand sein Postdoktorand nicht nur eine Kathode auf Manganbasis mit Spinellstruktur, die sicherer und weniger teuer ist, sondern entdeckte zufällig auch eine andere Struktur, die Olivinkristallstruktur, die das am häufigsten vorkommende Eisen und Phosphor zur Bildung von Lithiumeisenphosphat (LiFePO4) verwendet. Im Jahr 1997 entwickelten sie die Lithium-Eisenphosphat-Batterie mit kommerziellem Potenzial, die erneut einen Sturm auf dem Gebiet der Lithium-Batterien auslöste – einen echten „Sturm“.

Die Kristallstruktur von Lithiumeisenphosphat. Weiß steht für Lithiumatome und Rot, Lila und Gelb stehen für Sauerstoffatome, Phosphoratome bzw. Eisenatome. Bildquelle: Chemical Structure

Heute werden Lithium-Eisenphosphat-Batterien häufig in Energiespeichern, Elektrofahrzeugen und verschiedenen Kleingeräten eingesetzt. Goodenough profitierte jedoch dennoch nicht davon und war sogar in einen Patentstreit verwickelt!

Als Goodenough entdeckte, dass Lithiumeisenphosphat erneut eine Energierevolution auslösen würde, wollte er ein Patent anmelden, musste jedoch feststellen, dass es bereits vorweggenommen worden war. Es stellte sich heraus, dass die Forschungsergebnisse von einem ihm unterstellten japanischen „Mitarbeiter“ durchgesickert waren. Er war ursprünglich Mitarbeiter der Nippon Telegraph and Telephone Corporation (NTT) und trat dem Team unter dem Vorwand bei, von Goodenoughs Team zu lernen. Er hat die Geheimhaltungsvereinbarung nicht eingehalten. Im Patentstreit wurde derjenige zur Schlüsselfigur, der das neue Material erstmals herstellte. Es handelte sich um Akshaya Padhi, damals Postdoktorand, doch er weigerte sich, Goodenough bei dem Beweis zu helfen. Die beiden haben sich abgesprochen, die Forschungsergebnisse an NTT weitergegeben und viel Geld damit verdient.

Im Patentstreit konnte Goodenough nur hilflos behaupten, er sei von Spionen umgeben. Da jede Verbesserung der Batterie mit Patenten verbunden ist, sind zahlreiche Großkonzerne involviert, was diesen Patentkrieg, der als Weltkrieg der Lithiumbatterien bezeichnet werden kann, immer heftiger werden lässt. Goodenough schwieg, bis UT Austin eine Einigung mit NTT erzielte.

Ich möchte nicht in Rente gehen und auf meinen Tod warten.

Glücklicherweise schreibt man heute Goodenough die Entdeckung des Lithiumeisenphosphats zu. Diese Leistung vollbrachte er im Alter von 75 Jahren und veränderte die Welt der Batterien grundlegend.

Die meisten Menschen wären wahrscheinlich mit dem zufrieden, was sie erreicht haben, aber Goodenough war der Meinung, dass seine bisherige Arbeit nicht „gut genug“ war. Derzeit ist man in der Wissenschaft der Ansicht, dass die Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien ihre Grenzen erreicht hat, und Goodenough möchte weiterhin bessere Batterien finden. Im Alter von 90 Jahren konzentrierte er sich auf Festkörperbatterien – Batterien mit Festkörperelektrolyten, die die Vorteile einer besseren Sicherheit, höheren Energiedichte und geringeren Größe bieten. Im hart umkämpften Batteriebereich ist dies die Wahl von Goodenough. Goodenough hat bereits einige Ergebnisse erzielt und obwohl er auf einige Kontroversen gestoßen ist, hat er nicht die Absicht, damit aufzuhören.

Unterweisen Sie die Schüler im Büro. Quelle: news.uchicago.edu

Goodenough weiß, dass er nicht der Einzige ist, der das Batterieproblem lösen kann, und er ist sich nicht sicher, ob ihm das gelingen kann, aber: „Ich möchte nicht in Rente gehen und auf meinen Tod warten. Ich glaube, dass das, woran wir arbeiten, sehr wichtig ist.“ Vor fünf Jahren sagte er, er sei erst 92 Jahre alt und habe noch Zeit. Er hoffte, längerfristige Energieprobleme lösen zu können. Er sagte: „Wir müssen in naher Zukunft von der Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zur Abhängigkeit von sauberer Energie übergehen.“ „Das ist es, was ich tun möchte, bevor ich sterbe: eine sauberere und bessere Welt hinterlassen.“ Um dieses ehrgeizige Ziel zu erreichen, beschloss er, im Alter von 102 Jahren in den Ruhestand zu gehen.

Rückblickend auf seine Forschungserfahrung sagte Goodenough: „Wissenschaftliche Forschung ist oft interdisziplinär und Physik, Chemie und Ingenieurwesen sind oft miteinander verknüpft, was mir die Möglichkeit bietet, mich wirklich in Richtung Materialwissenschaft und Werkstofftechnik weiterzuentwickeln.“ Er selbst sieht sich als „einen in Festkörperphysik ausgebildeten Materialwissenschaftler, der mit Chemikern und Keramikkünstlern (keramische Materialien werden in der Batterieforschung verwendet) zusammenarbeitet und eine Brücke zwischen Physik, Chemie und Materialtechnik schlägt.“

Im Leben ist Goodenough ein fröhlicher Mensch und sein übertriebenes „Ha-ha-ha“-Lachen hallt oft durch die Flure des Bürogebäudes. Bis zu seinem Beinbruch im Jahr 2018 fuhr er täglich 40 Minuten zur Arbeit und arbeitete fast 50 Stunden pro Woche. Neben der wissenschaftlichen Forschung ist das Bergsteigen eines seiner wenigen Hobbys. Als er jung war, reisten er und seine Frau Ireen Wiseman an viele Orte. Sie lernten sich an der Universität von Chicago kennen und verbrachten ihr Leben zusammen. Sie haben keine Kinder. Goodenough sagte: „Wir haben einander.“

Goodenough mit seiner Frau Wiseman. Bildquelle: bbs.creaders.net

In Goodenoughs Büro hängt ein riesiger Wandteppich mit dem Bild „Das letzte Abendmahl“. Obwohl er sich sein ganzes Leben lang mit der Wissenschaft beschäftigte, war er überraschenderweise ein gläubiger Christ. Sein Glaube behinderte seine Forschung nicht, sondern wurde zu einer inneren Motivation und Leidenschaft.

Goodenough war lange Zeit nur Zweitplatzierter bei der Vergabe des Nobelpreises, doch er sagte: „Ich bin erst in den Neunzigern, und es ist noch Zeit.“ Nun ist uns die Ehre endlich zuteil geworden, gut genug!

Verweise

[1] Goodenough, John B. (2008). Zeuge der Gnade.

[2] Yoshino A. Die Geburt der Lithium‐Ionen‐Batterie[J]. Angewandte Chemie Internationale Ausgabe, 2012, 51(24): 5798-5800.

[3] Wissenschaftlicher Hintergrund zum Nobelpreis für Chemie 2019 Lithium-Ionen-Batterien

[4] Runde Quadrate. Goodenough: Eine nicht ganz so gute Welt gut genug machen

[5] https://cen.acs.org/people/profiles/Podcast-97-lithium-ion-battery/97/i35

[6] https://www.chemistryworld.com/features/goodenough-rules/8099.article

[7] https://qz.com/338767/the-man-who-brought-us-the-lithium-ion-battery-at-57-has-an-idea-for-a-new-one-at-92/

[8] https://mag.uchicago.edu/science-medicine/his-current-quest

https://news.uchicago.edu/story/john-b-goodenough-shares-nobel-prize-invention-lithium-ion-battery

[9] https://www.nature.com/articles/d41586-019-03079-1

[10] https://www.aarp.org/home-family/personal-technology/info-2019/nobel-prize-john-goodenough.html

[11] https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2019/goodenough/interview/

[12] https://alcalde.texasexes.org/2015/07/the-inventor/

[13] https://www.datacenterdynamics.com/analysis/restless-inventor/

[14] https://www.eternitynews.com.au/world/winners-of-this-years-nobel-prizes-follow-jesus/

[15] http://bbs.creaders.net/life/bbsviewer.php?trd_id=1433358&blog_id=358163

[16] https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2019/goodenough/biographical/

Dieser Artikel wurde ursprünglich in der Novemberausgabe 2019 der Beijing Science and Technology Daily (Science and Technology Life) veröffentlicht, vom Autor überarbeitet und in Fanpu veröffentlicht.

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