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Natürliches Molekül, um die Leistung von Elektroden für wiederaufladbare Batterien aufzuladen

04/16/2014

Chlorophylls, Blut, und Vitamin B12 sind auf dem Porphyrin-Molekül basieren alle. Aber Porphyrin kann auch als ein Elektrodenmaterial verwendet werden, wo es den Ladevorgang von wiederaufladbaren Batterien beschleunigt. In dem "Angewandte Chemie International Edition" Tagebuch, Forscher des KIT präsentieren nun das neue Materialsystem, das den Beginn einer Ära der Hochleistungsenergiespeicher und Superkondensatoren markieren könnte.

Zur Zeit, die am weitesten verbreitete Batterie-Technologie basiert auf Lithium-Ionen basiert. Kein anderes wiederaufladbare Speichergerät für elektrische Energie hat vergleichbare Anwendungseigenschaften. So, Lithium-Ionen-Batterien sind derzeit unverzichtbar für Geräte wie Laptops, Smartphones, oder Kameras, obwohl auch verbesserte Eigenschaften, wie Schnell-Ladung wäre wünschenswert. Viele Materialien, die die Eigenschaften von Lithium-Ionen-Batterien im Labor verbessern, jedoch, keine nachhaltige Optionen sind, weil sie selten sind, teuer, giftig oder schädlich für die Umwelt. Im Idealfall, Hochleistungs-Energiespeichermaterialien würden auf nachwachsenden Rohstoffen basieren.

Eine interdisziplinäre Forschungsgruppe von Professor Maximilian Fichtner von Helmholtz-Institut Ulm geleitet, gegründet und von KIT organisiert, und Professor Mario Ruben vom KIT Institut für Nanotechnologie, Jetzt präsentiert ein neues Energiespeichermaterial, das eine sehr schnelle und reversible Aufnahme von Lithiumionen erlaubt. Für diesen Zweck, funktionelle Gruppen wurden zu dem organischen Kupfer Porphyrin-Moleküle hinzugefügt, die strukturelle und elektroleitenden Vernetzung des Materials erzeugen, wenn die Batteriezelle zum ersten Mal geladen wird. Dies stabilisiert deutlich die Struktur der Elektrode, die in Labortests und ermöglicht mehr tausend Lade-Entlade-Zyklen.

Mit diesem Material, Speicherkapazitäten von 130-170 Milliamperestunden pro Gramm (mAh / g) wurden im Labor gemessen - bei einer mittleren Spannung von 3 Volt - und Entladung Ladezeiten von einer Minute. Aktuelle Experimente deuten darauf hin, dass die Speicherkapazität kann durch eine andere erhöht werden 100 mAh / g und dass das Speichersystem betrieben werden kann, nicht nur mit Lithium, sondern auch mit dem viel häufiger Natrium.

„Porphyrine kommen sehr oft in der Natur und sind die grundlegenden Bestandteile des Chlorophylls, von menschlichen und tierischen Blutfarbstoff (Hämoglobin), und von Vitamin B12,“erklärt Fichtner. Technische Varianten dieser Materialien sind bereits im Einsatz, z.B.. für blau-farbigen Toner in Laserdruckern oder für Autolack. Durch Binden funktioneller Gruppen auf Porphyrin, die Wissenschaftler gelungen, seine spezifische Eigenschaften in elektrochemischen Stromspeichersystemen zum ersten Mal zu nutzen. „Die Speichereigenschaften sind außergewöhnlich, da das Material um die Speicherkapazität einer Batterie aufweist, sondern arbeitet so schnell wie ein Superkondensator,“Fichtner sagt.

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