Hochleistungsfähige Akku-Elektrode

Chlorophyll, Blut und Vitamin B12 bauen auf dem Molekül Porphyrin auf. Auch Ladegeschwindigkeit von Batterien lässt sich mit Porphyrin in den Elektroden deutlich steigern. Ein neues Materialsystem könnte die Basis für leistungsstarke Batterien und Superkondensatoren sein.

Die Lithium-Ionen-Batterie ist die derzeit am weitesten verbreitete Batterietechnologie. Sie sind für Geräte wie Laptops, Handys oder Kameras unersetzlich, auch wenn verbesserte Eigenschaften wie Schnellladefähigkeit wünschenswert sind. Viele Materialien, die im Labor die Eigenschaften von Lithium-Ionen-Batterien verbessern, sind jedoch nicht nachhaltig, weil sie selten, teuer, giftig oder umweltschädlich sind. Hochleistungsfähige Speichermaterialien, die auf nachwachsenden Rohstoffen basieren, wären Ideal.
Eine interdisziplinäre Forschungsgruppe hat nun ein neues Speichermaterial vorgestellt, welches die sehr schnelle und reversible Einlagerung von Lithium Ionen erlaubt. Dazu wurde das organische Molekül Kupferporphyrin mit funktionellen Gruppen versehen, welche beim ersten Beladungsvorgang in der Batteriezelle eine strukturelle und elektrisch leitende Vernetzung des Materials herbeiführen. Dadurch wird die Struktur der Elektrode im Labor in hohem Maße stabilisiert und mehrere tausende Lade- und Entladezyklen wurden möglich.

Mit diesem Material wurden im Labor Speicherkapazitäten von 130-170 Milli-Amperestunden pro Gramm (mAh/g) bei einer mittleren Spannung von 3 Volt – und Be- und Entladungsdauern von nur einer Minute gemessen. Experimente deuten darauf hin, dass sich die Speicherkapazität um weitere 100 mAh/g steigern lässt und der Speicher neben Lithium auch auf mit dem wesentlich häufigeren Element Natrium betrieben werden kann.

Porphyrine kommen in der Natur sehr häufig vor und bilden das Grundgerüst des Blattgrüns (Chlorophyll), des Blutfarbstoffs von Menschen und Tieren (Hämoglobin), oder von Vitamin B12. Man setzt technische Varianten solcher Materialien bereits in der blauen Farbe von Laserdruckern oder von Autolacken ein. Durch die Bindung funktioneller Gruppen an das Porphyrin ist es gelungen, seine speziellen Eigenschaften erstmals auch für den Einsatz in elektrochemischen Speichern zu nutzen.

Die Speichereigenschaften sind außergewöhnlich, weil das Material eine Speicherkapazität wie ein Batteriematerial besitzt aber so schnell arbeitet wie ein Superkondensator.
 

Originalpunlikation:
P. Gao, Z. Chen, Zh. Zhao-Karger, J.E. Mueller, Ch. Jung, S. Klyatskaya, O. Fuhr, M. Ruben, M. Fichtner, Porphyrin complex as self-conditioned electrode material for high performance energy storage, Angew. Chemie Int. Ed. (2017) doi:10.1002/ange.201702805

 

Vollständige Pressemitteilung.

Jetzt registrieren!

Die neusten Informationen direkt per Newsletter.

To prevent automated spam submissions leave this field empty.