Batterien mit Porphyrin : Ladezeit von einer Minute

Das Molekül Porphyrin – Eingebaut in Elektroden – steigert im Laborexperiment die Ladegeschwindigkeit von Batterien

Die Ladegeschwindigkeit von Batterien lässt sich deutlich steigern, wenn man Porphyrin in den Elektroden nutzt. Forscher stellen ein neues Materialsystem vor, das Basis für leistungsstarke Batterien und Superkondensatoren sein könnte.

Die Lithium-Ionen-Batterie ist die am weitesten verbreitete Batterietechnologie. Kein anderer wieder aufladbarer elektrischer Energiespeicher besitzt vergleichbar gute Eigenschaften in der Praxis. Die Batterien arbeiten solide in Laptops, Handys oder Kameras – Verbesserungen wie Schnellladefähigkeit wären aber wünschenswert.

Viele Materialien können im Labor die Eigenschaften von Lithium-Ionen-Batterien verbessern. Sie sind aber nicht nachhaltig, weil selten, teuer, giftig oder umweltschädlich. Ideal wären stattdessen Speichermaterialien, die auf nachwachsenden Rohstoffen basieren.

Forscher vom Helmholtz-Institut Ulm und des Instituts für Nanotechnologie des KIT haben jetzt ein neues Speichermaterial vorgestellt, das die sehr schnelle und reversible Einlagerung von Lithium-Ionen erlaubt. Die Wissenschaftler versahen das organische Molekül Kupferporphyrin mit funktionellen Gruppen, die 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 sind möglich.

So schnell wie ein Superkondensator

Mit dem Material wurden im Labor Speicherkapazitäten von 130-170 Milli-Amperestunden pro Gramm (mAh/g) gemessen – bei einer mittleren Spannung von 3 Volt. Die Be- und Entladungsdauern betrug nur eine Minute. Aktuelle Experimente stimmen die Forscher optimistisch, 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 sind in der Natur sehr häufig – sie bilden das Grundgerüst des Blattgrüns, des Blutfarbstoffs von Menschen und Tieren, oder von Vitamin B12.  Technische Varianten solcher Materialien werden bereits in der blauen Farbe von Laserdruckern oder Autolacken eingesetzt.

Durch die Bindung funktioneller Gruppen an das Porphyrin ist es nun gelungen, seine speziellen Eigenschaften erstmals auch für den Einsatz in elektrochemischen Speichern zu nutzen. Das Material besitzt eine Speicherkapazität wie ein Batteriematerial – arbeitet aber so schnell wie ein Superkondensator.

Bild: KIT/HIU