Nobelpriset i Kemi

Nobelpriset i kemi år 2019 tilldelades John B. Goodenough, Stanley Whittingham och Akira Yoshino för utvecklingen av litiumjonbatteriet.

Kungliga Vetenskapsakademin motiverar priset med: “Litiumjonbatterier används i världens alla länder för att driva den bärbara elektronik som vi använder för att kommunicera, arbeta, forska, lyssna på musik och ta del av kunskap. Litiumjonbatterier har också möjliggjort elbilar med lång räckvidd och lagring av energi från förnybara energikällor, som sol- och vindkraft.”

Men varför är det tre personer som får dela på priset? Jobbade de tillsammans? Nej, långt ifrån det: de bedrev sin forskning oberoende av varandra, i olika decennier och på olika kontinenter.

Ska vi tala om vem som uppfann litiumjonbatteriet så är det Stanley Whittingham som gjorde det 1973 med sitt forskarteam, och det var de som även kunde visa upp den första fungerande battericellen 1976. Det fanns bara två stora problem:

Stanley Whittingham och hans team jobbade för oljebolaget Exxon av alla bolag. Forskningen påbörjades mitt i oljekrisen men tills de tagit fram sitt batteri var krisen över och oljebolaget var inte överdrivet intresserat av det där konstiga batteriet de tagit fram.

Men kanske största problemet var att katoden bestod av ämnet titandisulfid. Ett väldigt dyrt material som måste framställas i hermetiskt tillslutna rum. Kommer det i kontakt med luft bildas illaluktande och giftiga gaser. Dessutom kunde det för varje laddning och urladdning växa utväxter, dendriter på anoden som så småningom nådde över till katoden, kortslöt batteriet och kunde få den att brinna.

John B. Goodenough (herrejösses vilket namn) på Oxford universitet hade hört talas om litiumjonbatteriet och dess problem och insåg att batteritypen skulle bli bättre och pålitligare om man använde metalloxid i katoden istället för -sulfid. Hans forskarteam prövade igenom många olika material tills de fann litium-kobolt-oxid som förutom dess övriga goda egenskaper även dubblerade battericellens utspänning från dryga 2 till 4 volt. 1980 publicerade han sin forskning och visade upp den förbättrade battericellen.

Medan övriga världen fortfarande mest var ointresserad av batteriteknologin insåg Akira Yoshino på japanska bolaget Asahi Kasei Corporation att den växande elektronikindustrin i Japan behöver starkare och bättre batterier. Han kände till Goodenoughs batteri men ansåg den inte vara “good enough” (jo jag vet hemsk ordvits men jag kunde inte låta bli). Han ville hitta bättre och stabilare anodmaterial. Han har sett forskningsrapporter om att grafit kunde härbärgera litiumjoner men den bröts ner av kemikalierna i elektrolyten. Istället hittade han materialet petroleumkoks, en biprodukt från oljeindustrin. Med det kunde han framställa ett lätt, kraftfullt och billigt laddbart batteri. 1991 började SONY sälja det första kommersiella litiumjonbatteriet.

Sedan dess har olika företag, olika forskare förfinat batteriteknologin, tagit fram litiumjonbatterier med olika batterikemier med ständigt högre kapacitet. Ganska snabbt kom man underfund med hur grafit faktiskt kunde användas i anoden – man ändrade elektrolytens sammansättning så att den inte skulle angripa grafiten.

John B. Goodenough fortsatte sin forskning kring litiumjonbatterier och kunde 1996 presentera LiFePO batteriet där koboltoxiden i katoden är ersatt av järnfosfat som gör batterierna säkrare, dock med något lägre energidensitet.

1998 upptäcks katodmaterialet NMC, som står för (Litium)-Nickel-Mangan-Kobolt-oxid och första kommersiella NMC batteriet levererades 2011. Det är NMC batterier som finns i de flesta moderna elbilar (förutom Tesla).

Det är därför Nobelpriset i kemi delas av tre forskare i år: Stanley Whittingham uppfann själva grundprincipen för litiumjonbatteriet, John Goodenough fann en fungerande katod och Akira Yoshino en fungerande anod. Utan dessa tre upptäckter skulle vi inte ha litiumjonbatterier idag.

Det var länge sedan det gavs Nobelpris till forskning som på ett så handgriplig sätt påverkat folks vardag. Fagdisplayer, kryoelektronmikroskopi och molekylära maskiner i all ära men ingen av dem används i så många apparater idag som litiumjonbatterier: i allt från mobiltelefoner, tandborstar och skruvdragare till elbilar och enorma energilager.

TCS fem år sedan: Nobelprisvinnande batteriet

Så snart vi hörde om årets Nobelpris tänkte vi på en gång på Toyotas forskningschef Mitsuhisa Kato, som 2014 gav följande förklaring till varför Toyota inte satsar på elbilar: ”somebody needs to invent a Nobel Prize-winning type battery.” Varsågod Toyota, vad har ni för ursäkt nu då? 🙂