Labo Online - Analytic, Labortechnik, Life Sciences
Home> Wirtschaft + Wissenschaft> Archiv>

Porphyrin macht Elektrodenmaterial hochleistungsfähig

EnergiespeicherPorphyrin macht Elektrodenmaterial hochleistungsfähig

Die Ladegeschwindigkeit von Akkus lässt sich deutlich steigern, wenn man Porphyrin in den Elektroden nutzt. Forscher des KIT haben das neue Materialsystem jetzt vorgestellt, das Basis sein könnte für leistungsstarke Akkus und Superkondensatoren.

sep
sep
sep
sep
Energiespeicher: Porphyrin macht Elektrodenmaterial hochleistungsfähig

Der Lithium-Ionen-Akku ist die derzeit am weitesten verbreitete Batterietechnologie. Kein anderer wieder aufladbarer elektrischer Energiespeicher besitzt vergleichbar gute Eigenschaften in der Anwendung. Dies macht ihn für Geräte wie Laptops, Handys oder Kameras derzeit unersetzlich, auch wenn verbesserte Eigenschaften wie Schnellladefähigkeit wünschenswert sind.

Es gibt zwar viele Materialien, die im Labor die Eigenschaften von Lithium-Ionen-Akkus verbessern, allerdings sind sie nicht nachhaltig, weil diese selten, teuer, giftig oder umweltschädlich sind. Hochleistungsfähige Speichermaterialien, welche auf nachwachsenden Rohstoffen basieren, wären das angestrebte Ideal.

Nur eine Minute Ladezeit!

Eine interdisziplinäre Forschungsgruppe um Professor Maximilian Fichtner vom Helmholtz-Institut Ulm, einer Einrichtung unter Trägerschaft des KIT, und Professor Mario Ruben, Institut für Nanotechnologie des KIT, 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 Beladungsvor-gang 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 tausend Lade- und Entladezyklen wurden möglich. Mit diesem Material wurden im Labor Speicherkapazitäten von 130 bis170 mAh/g gemessen – bei einer mittleren Spannung von 3 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 (Chlorophyll), des Blutfarbstoffs von Menschen und Tieren (Hämoglobin), oder 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.

Anzeige

 

Über das Helmholtz-Institut Ulm 

Das Helmholtz-Institut Ulm (HIU) wurde im Januar 2011 vom KIT als Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft in Kooperation mit der Universität Ulm gegründet. Mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) sowie dem Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) sind zwei weitere renommierte Einrichtungen als assoziierte Partner in das HIU eingebunden. Das internationale Team aus rund 110 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern forscht im HIU an der Weiterentwicklung der Grundlagen von zukunftsfähigen Energiespeichern für den stationären und mobilen Einsatz.

Literatur

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.

Anzeige
Diesen Artikel …
sep
sep
sep
sep
sep

Weitere Beiträge zum Thema

Thomas Gigl und Stefan Seidlmayer an der Positronenquelle NEPOMUC. (Foto: Wenzel Schürmann / TUM)

Positronen decken Ursache aufKapazitätsverlust von Lithiumionen-Batterien

Akkus, deren Kathode aus einer Mischung aus Nickel, Mangan, Kobalt und Lithium besteht, gelten derzeit als die leistungsfähigsten. Doch auch sie haben eine begrenzte Lebensdauer. Schon beim ersten Zyklus verlieren sie bis zu 10 % ihrer Kapazität.

…mehr
Kohlenstoff-Würfel

Bessere Simulation von Energie-SpeichernAuch Ionen wollen kuscheln

Kamerablitze, Flugzeugtüren, Systeme zur Bremsenergie-Rückgewinnung – sie funktionieren heute auf Grundlage ultraschneller Speichertechnologie, die auf der Ionenspeicherung in einer porösen Kohlenstoff-Elektrode basiert – so genannte Superkondensatoren.

…mehr
Eine Glaskeramik-Membran, die mit Aluminium und Kunststoff beschichtet ist, lässt nur Lithium-Ionen durch. Für alle anderen Bestandteile der Elektrolytflüssigkeit ist sie undurchlässig. (Urheber Bild / Fotograf: Monika Weiner / TUM)

Evonik ForschungspreisLithium-Ionen-Akku-Testzelle mit separierten Elektroden

Im Kleinen haben sich die wieder aufladbaren Lithium-Ionen-Akkus längst bewährt: Seit Jahren versorgen sie Milliarden portabler Geräte zuverlässig mit Energie. Auch die Hersteller von Elektroautos und Stromspeichern setzen auf die Lithium-Ionen-Technik. Allerdings wünschen sie sich für diese Hochvolt-Anwendungen neue Elektrodenmaterialien und Elektrolyte, die höhere Spannungen aushalten.

…mehr
Science Award Electrochemistry

Science Award Electrochemistry 2016Volkswagen und BASF vergeben Preise

Der internationale „Wissenschaftspreis für Elektrochemie“ von BASF und Volkswagen geht in diesem Jahr an Dr. William Chueh von der Stanford University in Kalifornien, USA.

…mehr
Eine Scheibe des (weissen) Lithiumgranat-Elektrolyten, beschichtet mit einer (schwarzen) Lithiumverbindung als Minuspgarol im Labor der ETH-Forschenden. (Bild: ETH Zürich / Fabio Bergamin)

Lithium-Ionen-AkkuTrockenakku für mehr Sicherheit

Forschende der ETH Zürich entwickelten einen Lithium-Ionen-Akku, der ausschließlich aus festem Material besteht – er enthält weder Flüssigkeiten noch Gele. Selbst bei sehr hohen Temperaturen kann er sich nicht entzünden.

…mehr

Mediadaten 2017

LABO Marktübersichten

Produktkataloge bei LABO

Produktkataloge zum Blättern


Hier finden Sie aktuelle Blätter-Kataloge von Herstellern aus der Branche. Einfach durchblättern oder gezielt nach Stichwort suchen!

Anzeige
Anzeige

LABO Web-Guide 2016 als E-Paper

LABO Web-Guide 2016

Web-Guide 2016


- Stichwortregister

- Firmenscreenshots

-Interessante Webadressen aus dem Labor

Anzeige

Neue Stellenanzeigen

Jetzt den LABO Newsletter abonnieren

LABO Newsletter abonnieren

Der kostenlose LABO Newsletter informiert Sie wöchentlich über neue Produkte, Lösungen, Technologietrends und Innovationen aus der Branche sowie Unternehmensnachrichten und Personalmeldungen.

LABO bei Facebook und Twitter