Stromspeicher dank Pseudokapazität schneller aufladen

Selbst an Schnellladesäulen müssen Fahrer von Elektroautos noch eine gute halbe Stunde warten, bevor die Akkus wieder ausreichend aufgeladen sind. Sehr viel schneller könnten künftig Stromspeicher gefüllt werden, die aus sogenannten pseudokapazitativen Materialien bestehen. Mit Molybdäntrioxid optimierten Wissenschaftler nun einen solchen Werkstoff, um dessen Speicherkapazität zu erhöhen und Lebensdauer deutlich zu verlängern. Ihre grundlegenden Arbeiten für einen schnellen und effizienten Stromspeicher präsentieren sie in der Fachzeitschrift „Nature Materials“.

Pseudokapazität

„Wir wollten die große Energiedichte von Batterien mit den kurzen Ladezeiten von Kondensatoren in einem Stromspeicher vereinen“, sagt Bruce Dunn von der University of California in Los Angeles. Zusammen mit seinen Kollegen griff Dunn zu dem Material Molybdäntrioxid, das als Elektrodenwerkstoff eine Energiedichte ermöglicht, die mit konventionellen Lithiumionenakkus vergleichbar ist. Zudem könnten Stromspeicher aus diesem Material binnen weniger Minuten aufgeladen werden. Der Grund für dieses schnelle Laden liegt in der sogenannten Pseudokapazität, bei der sich Ionen als Ladungsträger über schwache Van-der-Waals-Bindungen an die Elektroden anlagern.

Beim Aufladen des Pseudokapazitätsspeichers veränderte sich bisher allerdings der Aufbau der Molybdäntrioxidkristalle, was nur wenige Ladezyklen erlaubte. Genau dieses Problem lösten Dunn und Kollegen nun mit einer Optimierung des Materials. In einer Mikrowelle auf 180 Grad Celsius aufgeheizt, entstanden Molybdänoxidkristalle, denen ein Sauerstoffatom in der Kristallstruktur fehlte. Diese Leerstelle erhöhte die elektrische Leitfähigkeit und bot über schwache Bindungen angedockten Lithiumionen zusätzlichen Platz. Erste Versuche zeigten, dass der unerwünschte Phasenwechsel der Kristallstruktur vermieden werden konnte. Auch nach fünfzig Ladezyklen büßte der Prototyp nur fünf Prozent seiner Speicherkapazität ein. Bisher verloren solche Stromspeicher nach nur wenigen Ladezyklen bis zur Hälfte ihrer Speicherkapazität.

Mit diesem Resultat konnten Dunn und Kollegen zeigen, dass der Effekt der Pseudokapazität für den Bau von leistungsfähigen und extrem schnell aufladbaren Stromspeichern prinzipiell geeignet ist. In weiteren Versuchen ließen sich neben Molybdäntrioxid auch weitere Metalloxidkristalle mit fehlenden Sauerstoffatomen auf ihre stromspeichernden Eigenschaften untersuchen. So bietet die Pseudokapazität einen verlockenden Ansatz für neuartige Schnellladeakkus. Vor einer Serienproduktion müsste jedoch die Zahl der Ladezyklen ohne großen Verlust an Speicherkapazität mindestens auf tausend gesteigert werden.