Hochleistungsakkus Neues Speichermaterial soll für kürzere Ladezeiten sorgen

Forscher des Helmholtz-Instituts Ulm (HIU) und des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben ein Materialsystem entwickelt, dass die Schnellladefähigkeit von Lithium-Ionen-Batterien verbessern soll und künftig die Basis für leistungsstarke Batterien und Superkondensatoren sein könnte.

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Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Aktuell ist die Lithium-Ionen-Batterie die am weitesten verbreitete Batterietechnik. Kein anderer wieder aufladbarer elektrischer Energiespeicher besitzt vergleichbar gute Eigenschaften in der Anwendung. Dies macht die Technik für Geräte wie Laptops, Handys oder Kameras derzeit unersetzlich.

Jedoch hat auch die Lithium-Ionen-Batterie noch Verbesserungspotenziale – etwa was die Schnellladefähigkeit betrifft. Viele Materialien, die im Labor die Eigenschaften von Lithium-Ionen-Batterien verbessern, sind jedoch nicht nachhaltig, weil diese selten, teuer, giftig oder umweltschädlich sind. Hochleistungsfähige Speichermaterialien, welche auf nachwachsenden Rohstoffen basieren, sind daher laut HIU das angestrebte Ideal.

Lithium-Ionen lassen sich schnell und reversibel einlagern

Eine interdisziplinäre Forschungsgruppe um Prof. Maximilian Fichtner vom HIU, einer Einrichtung unter Trägerschaft des KIT, und Prof. Mario Ruben vom Institut für Nanotechnologie des KIT hat zu diesem Zweck nun ein neues Speichermaterial vorgestellt. Dieses erlaube die sehr schnelle und reversible Einlagerung von Lithium-Ionen.

Von den Forschern wurde hierzu das organische Molekül Kupferporphyrin mit funktionellen Gruppen versehen, welche beim ersten Beladungsvorgang in der Batteriezelle eine strukturelle und elektrisch leitende Vernetzung des Materials herbeiführen. So werde die Struktur der Elektrode im Labor in hohem Maße stabilisiert. Mehrere tausend Lade- und Entladezyklen seien möglich.

Speicher könnte auch mit Natrium betrieben werden

Mit dem neuen Material wurden im Labor laut HIU Speicherkapazitäten von 130-170 mAh/g gemessen – bei einer mittleren Spannung von 3 V – sowie Be- und Entladungsdauern von nur 1 min. Aktuell betriebene Experimente deuteten darauf hin, dass sich die Speicherkapazität um weitere 100 mAh/g steigern lasse und der Speicher neben Lithium auch mit dem wesentlich häufigeren Element Natrium betrieben werden könne.

„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“, erklärt Prof. Fichtner. Man setze technische Varianten solcher Materialien bereits ein – etwa in der blauen Farbe von Laserdruckern oder von Autolacken.

Außergewöhnliche Speichereigenschaften

Durch die Bindung funktioneller Gruppen an das Porphyrin sei 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“, sagt Fichtner.

In der Zeitschrift Angewandte Chemie International Edition stellen die Forscher des KIT das neue Materialsystem vor, das Basis für leistungsstarke Batterien und Superkondensatoren sein könnte.

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