В настоящее время наиболее широко используемая технология аккумуляторов основана на ионах лития. Ни одно другое перезаряжаемое устройство хранения электроэнергии не имеет сопоставимых характеристик применения. Таким образом, ионно-литиевые батареи в настоящее время незаменимы для таких устройств, как ноутбуки, смартфоны или фотоаппараты, хотя были бы желательны улучшенные свойства, такие как быстрая зарядка. Однако многие материалы, улучшающие свойства ионно-литиевых батарей в лаборатории, не являются экологически безопасными вариантами, поскольку они редки, дороги, токсичны или вредны для окружающей среды.
В идеале, высокоэффективные материалы для хранения энергии будут основаны на возобновляемых ресурсах.Междисциплинарная исследовательская группа под руководством профессора Максимилиана Фихтнера из Института Гельмгольца в Ульме, основанная и организованная KIT, и профессор Марио Рубен из Института нанотехнологий KIT, теперь представляет новый материал для хранения энергии, который позволяет очень быстро и обратимо включать ионы лития. С этой целью к молекуле органического медного порфирина были добавлены функциональные группы, которые производят структурное и электропроводящее сшивание материала при первой зарядке аккумуляторного элемента. Это значительно стабилизирует структуру электрода при лабораторных испытаниях и позволяет проводить несколько тысяч циклов заряда-разряда.
С этим материалом в лаборатории была измерена емкость хранения 130-170 миллиампер-часов на грамм (мАч / г) при среднем напряжении 3 вольта и времени зарядки-разрядки всего в одну минуту. Текущие эксперименты показывают, что емкость накопителя может быть увеличена еще на 100 мАч / г и что система хранения может работать не только с литием, но и с гораздо более распространенным натрием.
«Порфирины очень часто встречаются в природе и являются основными составляющими хлорофилла, пигмента крови человека и животных (гемоглобина) и витамина B12», — объясняет Фихтнер. Технические варианты этих материалов уже используются, например для синего тонера в лазерных принтерах или для автомобильной краски.
Связывая функциональные группы с порфирином, ученым впервые удалось использовать его специфические свойства в электрохимических системах хранения электроэнергии. «Запоминающие свойства исключительны, потому что этот материал имеет емкость аккумулятора, но работает так же быстро, как суперконденсатор», — говорит Фихтнер.