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.

12. Juli 2017 Cornelia Lichner

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 Ulm

Ursprünglich 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.