Forschungserfolg am KIT Mit Porphyrin Li-Ion-Akkus in einer Minute laden

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

Was haben Chlorophyll, Hämoglobin und Vitamin B12 gemeinsam? Alle bauen auf dem Molekül Porphyrin auf. Aber auch die Ladegeschwindigkeit von Lithium-Ionen-Akkus lässt sich deutlich steigern, wenn man Porphyrin in den Elektroden nutzt. Dies haben Forscher des KIT herausgefunden.

Der Lithium-Ionen-Akku ist die derzeit am weitesten verbreitete Akkutechnologie. Kein anderer wieder aufladbarer elektrischer Energiespeicher besitzt vergleichbar gute Eigenschaften in der Anwendung. Dies 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-Akkus verbessern, sind jedoch nicht nachhaltig, weil diese selten, teuer, giftig oder umweltschädlich sind. Hochleistungsfähige Speichermaterialien, die auf nachwachsenden Rohstoffen basieren, wären das angestrebte Ideal.

Eine interdisziplinäre Forschungsgruppe um Professor Maximilian Fichtner vom Helmholtz-Institut Ulm, einer Einrichtung unter Trägerschaft des KIT, und Professor Mario Ruben vom Institut für Nanotechnologie des KIT hat nun ein neues Speichermaterial vorgestellt, bei dem sich Lithium-Ionen sehr schnell und reversibel einlagern lassen. Dazu wurde das organische Molekül Kupferporphyrin mit funktionellen Gruppen versehen, die beim ersten Beladungsvorgang in der Batteriezelle das Material strukturell und elektrisch leitend vernetzen. 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 mAh/g bis 170 mAh/g gemessen – bei einer mittleren Spannung von 3 V – 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.

Publikation: 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