Akkus laden mit Highspeed

Die Lithium-Ionen-Batterie ist die derzeit am weitesten verbrei­tete Batterie­techno­logie. Kein anderer wieder auf­lad­barer elek­trischer Energie­speicher besitzt ver­gleich­bar gute Eigen­schaften in der Anwen­dung. Das macht sie für Geräte wie Lap­tops, Handys oder Kameras derzeit 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 das ange­strebte Ideal.

Das Molekül Porphyrin – eingebaut in Elek­troden – steigert im Labor­experi­ment die Lade­ge­schwin­dig­keit von Batterien. (Bild: HIU, KIT)

Eine interdisziplinäre Forschungsgruppe um Maximilian Fichtner vom Helm­holtz-Institut Ulm und Mario Ruben vom Institut für Nano­techno­logie des KIT hat jetzt ein neues Speicher­material vorge­stellt, das 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 bis 170 Milli­ampere­stunden pro Gramm gemessen – bei einer mitt­leren Spannung von drei Volt – und Be- und Ent­ladungs­dauern von nur einer Minute. Aktuell betrie­bene 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, des Blut­farb­stoffs von Menschen und Tieren und von Vitamin B12“, erklärt Fichtner. Man setzt tech­nische Vari­anten solcher Materi­alien bereits ein, etwa in der blauen Farbe von Laser­druckern oder von Auto­lacken. 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“, so Fichtner. (Quelle: KIT)

Referenz:  P. Gao et al.: Porphyrin complex as self-conditioned electrode material for high performance energy storage, Ang. Ch. , online 18. Juni 2017; DOI: 10.1002/ange.201702805

Links: Nanomaterialien & Nano-/Mikrostrukturen (A. Fichtner), Helmholtz-Institut Ulm • Molecular Materials (M. Ruben), Institut für Nanotechnologie, Karlsruher Institut für Technologie

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