Forscher entdecken Hochleistungs-Molekül für schnelles Batterieladen

Ulm/Karlsruhe - Eine Herausforderung der Elektromobilität ist die Ladegeschwindigkeit und die Zahl der Ladezyklen von Batterien. Forscher haben ein in der Natur vorkommendes Molekül gefunden, das unter Laborbedingungen eine Batterie-Ladezeit von nur einer Minute erreichen kann.

Eine interdisziplinäre Forschungsgruppe um Professor Maximilian Fichtner vom Helmholtz-Institut Ulm, einer Einrichtung unter Trägerschaft des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT), und Professor Mario Ruben vom Institut für Nanotechnologie des KIT hat ein neues Speichermaterial vorgestellt, das eine hohe Speicherkapazität aufweist und gleichzeitig schnell arbeitet wie ein Superkondensator.

Hochleistungsfähige Speichermaterialien für Lithium-Ionen-Batterien gesucht
Die Lithium-Ionen-Batterie ist die derzeit am weitesten verbreitete Batterietechnologie. Kein anderer wiederaufladbarer elektrischer Energiespeicher besitzt vergleichbar gute Eigenschaften in der Anwendung. Dies macht die Lithium-Ionen-Batterie für Geräte wie Laptops, Handys oder Kameras derzeit unersetzlich, auch wenn verbesserte Eigenschaften wie Schnellladefähigkeit wünschenswert sind. Hochleistungsfähige Speichermaterialien, welche auf nachwachsenden Rohstoffen basieren, wären demnach das angestrebte Ideal.

Wunder-Molekül Porphyrin
Chlorophyll, Blut und Vitamin B12 bauen alle auf dem Molekül Porphyrin auf. Und auch die Ladegeschwindigkeit von Batterien lässt sich deutlich steigern, wenn man Porphyrin in den Elektroden nutzt. Das haben die Forscher des KIT in der Zeitschrift Angewandte Chemie International Edition veröffentlicht. Das organische Molekül Kupferporphyrin wurde mit funktionellen Gruppen versehen, 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 wurden möglich. Bisher wurden technische Varianten solcher Materialien bereits in der blauen Farbe von Laserdruckern oder von Autolacken eingesetzt, aber noch nie in elektrochemischen Speichern.

Neues Materialsystem mit hoher Speicherkapazität und gleichzeitiger Schnelligkeit
Mit dem Material wurden im Labor Speicherkapazitäten von 130-170 Milli-Amperestunden pro Gramm (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, so die KIT-Forscher.