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Donnerstag, 13. Juli 2017
Naturmaterial für Batteriespeicher von morgen
Naturmaterial für Batteriespeicher von morgen
Eine
Forschungsgruppe aus Ulm hat ein neues Material für
Lithium-Ionen-Batterien gefunden, das die Ladezeit drastisch reduzieren,
die Kapazität erhöhen und dennoch über mehr als 1.000 Zyklen stabil
bleiben soll. Das aus Kupfer-Porphyrin designte Material soll bisher
übliche Kathoden aus giftigem Cobaltoxid ersetzen.
Batterieforschungszentrum in Ulm
Foto: Helmholtz-Institut Ulm
Lithium-Ionen-Batterien
werden von Wissenschaftlern aus aller Welt weiterentwickelt und
erfahren Leistungssteigerungen von knapp 10 Prozent pro Jahr. Forschern
des Helmholtz-Instituts in Ulm könnte nun ein entscheidender Schritt
gelungen sein, um die Eigenschaften der Lithium-Ionen-Technologie noch
einmal deutlich zu verbessern und gleichzeitig den Bedarf an seltenem
Cobalt zu reduzieren. Sie veröffentlichten ihre Forschungen jetzt in der
Zeitschrift „Angewandte Chemie, International Edition“.
Forschungsgruppenleiter Maximilian Fichtner sprach gegenüber pv magazine
von einem „Wundermaterial“ mit erstaunlichen Eigenschaften.
Mit
Hilfe von Kupferporphyrin anstelle der bisherigen cobalthaltigen Kathode
haben die Forscher im Labor Speicherkapazitäten von 130-170
Milliamperestunden pro Gramm (mAh/g) gemessen – bei einer mittleren
Spannung von 3 Volt – und Be- und Entladungsdauern von nur einer Minute.
Das entspricht ungefähr den Energiedichten üblicher
Lithium-Ionen-Batterien. Doch die C-Rate, die die Ladegeschwindigkeit
beschreibt, liegt zwischen 50 und 60, das ist 200 mal mehr als heute in
stationären Speichern zur Eigenverbrauchserhöhung. Lade man die Zelle
dagegen langsamer auf, verdoppele sich ihre Kapazität, so Fichnter.
Was
genau dabei vorgeht und wodurch diese Steigerung erreicht werde, müssen
die Forscher nun noch herausfinden. „Wir können es reproduzieren, aber
noch nicht erklären.“ Basis ist ein Porphyrin, das durch zusätzliche
funktionelle Gruppen stabiler ist als der Stoff, der bisher in Farben
und Lacken breit eingesetzt wird. Bei der ersten Beladung vernetze sich
die Struktur und erhalte eine Stabilität, die bisher von organischen
Stoffen nicht bekannt war. „Davon haben wir in unserem Labor bislang
einige Gramm hergestellt“, sagt Fichtner. Für einen Industriepartner
sollen nun aber 100 Gramm erzeugt werden. Damit könne dieser sich ein
Bild von den Eigenschaften machen und, so die Hoffnung, die weiteren
Untersuchungen fördern und später kommerzialisieren.
Zunächst sei
es nötig, die Abläufe richtig zu verstehen und dann könne man
entscheiden, für welche Anwendungen sich das Material am besten
einsetzen ließe. Die rasante Ladezeit ließe womöglich auch einen Einsatz
als Superkondensator mit echten Speichereigenschaften zu oder als
Schnellladebatterie für stationäre Anwendungen, wie die
Netzstabilisierung. Einziger bisher sichtbarer Nachteil sei, dass die
neuen Zellen größer sind als bisher. Kupfer-Porphyrin als ElektrodenmaterialGrafik: Helmholtz-Institut UlmUrsprünglich
stammt Porphyrin aus der Natur, wo es in Chlorophyll, Blut und Vitamin
B12 vorkommt. Er ist einer von vielen Stoffen, die längerfristig seltene
Metalle und Erden ersetzen müssen. Fichtner zitiert in diesem
Zusammenhang Analysen, nach denen die Cobaltproduktion in spätestens
zehn Jahren zurückgehen wird. Wenn das zutrifft und wie geplant die
Produktion von Elektroautos stark stark zunimmt, wird das Element knapp.
Daher
arbeite auch sein Institut an Ersatzstoffen für die Zeit danach.
Erfahrungsgemäß dauert die Entwicklung vom neuen Material bis zu einer
industriell hergestellten Batterie mindestens zehn Jahre. In diesem
Fall, versprechen sich die Forscher jedoch Einsparungen, weil Porphyrin
auch an der Luft stabil bleibt und die Batterieproduktion sich somit
vereinfachen könnte.
Korrektur: In der ersten Version
des Artikels stand, dass Cobaltvorkommen in 10 Jahren erschöpft sein
werden. Diese drastische Aussage lasssen sich durch die Analysen nicht
begründen. Richtig ist, dass laut Fichtner Analysen in 10 Jahren von
einem Rückgang der Cobaltproduktion ausgehen. Wir bitten den Fehler zu
entschuldigen.