Naturligt molekyle til at øge ydeevnen af ​​elektroder til genopladelige batterier

Klorofyl, blod, og vitamin B12 er alle baseret på porfyrinmolekylet. Men porphyrin kan også bruges som et elektrodemateriale, hvor det fremskynder opladningsprocessen af ​​genopladelige batterier. I den Angewandte Chemie International Edition tidsskrift, forskere fra KIT præsenterer nu det nye materialesystem, der kan markere begyndelsen på en æra med højtydende energilagring og superkondensatorer.

I øjeblikket, den mest udbredte batteriteknologi er baseret på lithium-ioner. Ingen anden genopladelig lagringsenhed til elektrisk energi har sammenlignelige anvendelsesegenskaber. Dermed, lithium-ion-batterier er i øjeblikket uundværlige til enheder som bærbare computere, smartphones, eller kameraer, selvom forbedrede egenskaber såsom hurtigopladning ville være ønskeligt. Mange materialer, der forbedrer egenskaberne af lithium-ion-batterier i laboratoriet, imidlertid, er ingen bæredygtige muligheder, fordi de er sjældne, dyrt, giftig eller skadelig for miljøet. Ideelt set højtydende energilagringsmaterialer ville være baseret på vedvarende ressourcer.

En tværfaglig forskningsgruppe ledet af professor Maximilian Fichtner fra Helmholtz Institute Ulm, grundlagt og organiseret af KIT, og professor Mario Ruben fra KIT Institute of Nanotechnology, præsenterer nu et nyt energilagringsmateriale, der tillader en meget hurtig og reversibel inklusion af lithiumioner. Til dette formål, funktionelle grupper blev føjet til det organiske kobberporphyrinmolekyle, der producerer strukturel og elektrisk ledende tværbinding af materialet, når battericellen oplades for første gang. Dette stabiliserer strukturen af ​​elektroden betydeligt i laboratorietests og tillader flere tusinde opladnings-afladningscyklusser.

Med dette materiale, lagringskapaciteter på 130-170 milliampere-timer pr. gram (mAh/g) blev målt i laboratoriet – ved en mellemspænding på 3 Volt – og opladnings- og afladningstider på kun et minut. Aktuelle eksperimenter tyder på, at lagerkapaciteten kan øges med yderligere 100 mAh/g, og at lagersystemet ikke kun kan betjenes med lithium, men også med det meget rigeligere natrium.

"Porphyriner forekommer meget ofte i naturen og er de grundlæggende bestanddele af klorofyl, af humant og animalsk blodpigment (hæmoglobin), og vitamin B12, " Fichtner forklarer. Tekniske varianter af disse materialer er allerede i brug, f.eks. til blåfarvet toner i laserprintere eller til billak. Ved at binde funktionelle grupper til porphyrin, det lykkedes forskerne at udnytte dets specifikke egenskaber i elektrokemiske elektriske lagringssystemer for første gang. "Opbevaringsegenskaberne er enestående, fordi materialet har lagringskapaciteten som et batteri, men virker lige så hurtigt som en superkondensator, " siger Fichtner.