12/07/2017
Door Ad Spijkers
Chlorofyl, bloed en vitamine B12 zijn alle gebaseerd op porfyrine-moleculen. En ook de oplaadsnelheid van batterijen kan duidelijk worden verhoogd wanneer men porfyrinen in de elektroden gebruikt, zo hebben onderzoekers van het KIT ontdekt.
De lithium-ionen batterij is momenteel de meest toegepaste batterijtechnologie. Geen ander weer oplaadbaar medium voor opslag van elektrische energie heeft in de toepassing vergelijkbaar goede eigenschappen. Dit maakt dit type batterij onmisbaar in laptops, mobieltjes of camera's, ook wanneer verbeterde eigenschappen zoals de mogelijkheid tot sneller opladen gewenst zouden zijn.
Veel materialen die in het laboratorium de eigenschappen van lithium-ionen batterijen verbeteren, zijn echter niet duurzaam omdat ze zeldzaam, duur, giftig of milieuonvriendelijk zijn. Krachtige opslagmaterialen die zijn gebaseerd op duurzame grondstoffen vormen de heilige graal.
Opslagcapaciteit
Een interdisciplinair onderzoeksteam van het Helmholtz-Institut Ulm en het Institut für Nanotechnologie binnen het Karlsruher Institut für Technologie (KIT) hebben een nieuw opslagmateriaal gepresenteerd dat de zeer snelle en omkeerbare opslag van lithium-ionen mogelijk maakt. Hiertoe werd het organische molecuul koperporfyrine voorzien van functionele groepen, die tijdens het eerste opladen in de batterijcel een structureel en elektrisch geleidend netwerk in het materiaal opleveren. Hierdoor wordt de structuur van de elektrode in het laboratorium in sterke mate gestabiliseerd en worden meerdere duizenden laad- en ontlaadcyclussen mogelijk.
Met dit materiaal werden in het laboratorium opslagcapaciteiten met 130-170 mAh/g (milliampère-uur per gram) gemeten bij een gemiddelde spanning van 3 V en laad- en ontlaadtijden van slechts een minuut. Momenteel lopende experimenten wijzen er op, dat de opslagcapaciteit met nog eens 100 mAh/g kan worden verhoogd en dat in de accu behalve lithium ook met het aanzienlijk vaker voorkomende element natrium kan worden gebruikt.
Porfyrinen
Porfyrinen komt in de natuur op grote schaal voor. Ze vormen de basis voor bladgroen (chlorofyl), de kleurstof in het bloed van mensen en dieren (hemoglobine) en vitamine B12. Technische varianten van dergelijke materialen worden reeds toegepast, bijvoorbeeld in de blauwe kleur van laserprinters en in autolakken. Door de vorming van functionele groepen aan het porfyrine is het gelukt zijn speciale eigenschappen voor het eerst toe te passen in elektrochemische opslagmedia. De accumulatoreigenschappen zijn buitengewoon omdat het materiaal een opslagcapaciteit zoals een batterijmateriaal heeft, maar net zo snel werkt als een supercondensator.