Neues Akku-Kon­zept nutzt Pseudo­kapazität

Pseudokapazitatives Material für schnelle Stromspeicher: Orthorhombische Struktur von Molybdäntrioxid. (Bild: H.-S. Kim et. al.)

Pseudokapazitatives Material für schnelle Stromspeicher: Orthorhombische Struktur von Molybdäntrioxid. (Bild: UCLA / NPG)

Langsam, aber stetig steigen die Energie­­dichten von Lithium­­ionen-Akkus. Auch die Ladezeiten lassen sich mit hohen Leistungen verringern, doch brauchen Elektro­­autos immer noch eine gute halbe Stunde, bis die Akkus wieder ausreichend aufgeladen sind. Sehr viel schneller könnten in Zukunft Strom­­speicher gefüllt werden, die aus speziellen pseudo­­kapazi­tativen Materialien bestehen. Nach ersten kurz­­lebigen Proto­­typen optimierten nun kali­fornische Wissen­schaftler ein mögliches Elektroden­­material: Molybdän­­trioxid. Mit gezielt erzeugten Sauerstoff­­lücken in der Kristall­­struktur des Metall­oxids konnten sie Kapazität und Lebens­dauer der poten­ziellen Schnell­­lade­systeme deutlich verlängern.

„Unsere Arbeits­gruppe versucht, die großen Energie­­dichten von Batterien mit den kurzen Lade­zeiten und hohen Strömen von Konden­satoren in einem Strom­­speicher zu vereinen“, sagt Bruce Dunn von der University of California in Los Angeles. Dieses Ziel im Blick, griff er zusammen mit seinen Kollegen zu dem Material Molybdän­­trioxid, das als Elektroden­­werkstoff eine Energie­­dichte ermöglicht, die prinzipiell mit konven­tionellen Lithium­­ionenakkus vergleichbar ist. Trotz der relativ hohen Energie­­dichte lassen sich Speicher­­systeme mit Molybdän­­trioxid binnen weniger Minuten aufladen.

Verantwortlich für die schnellen Lade­prozesse ist die Pseudo­­kapazität. Dabei lagern sich im Unterschied zu klas­sischen Konden­satoren nicht nur einzelne Elektronen, sondern ladungs­­tragende Ionen am Kathoden­­material an. Gebunden über schwache Van-der-Waals-Bindungen findet darauf ein faraday­scher Ladungs­­tausch statt, bei dem vom über Adhäsions­­kräfte angedockten Ion ein Elektron auf die Kathode reversibel übertragen wird. Bei herkömm­lichen Akkus dagegen gehen Ionen über eine elektro­­chemische Reaktion festere Bindungen mit dem Elektroden­­material ein. Diese ebenfalls rever­siblen Prozesse laufen jedoch deutlich langsamer ab und sind für die relativ langen Ladezeiten verant­wortlich.

So verlockend solche Pseudo­kapazitäts­speicher klingen, waren sie bisher wegen mangelnder Stabilität für einen Akku nicht geeignet. Denn beim Aufladen des Strom­­speichers veränderte sich bisher der Aufbau der Molybdän­­trioxid-Kristalle und erlaubte nur wenige Ladezyklen. Genau dieses Problem lösten Dunn und Kollegen nun mit einer Opti­mierung des Materials. In einer Mikro­welle auf 180 Grad aufgeheizt, entstanden Molybdänoxid-Kristalle, denen ein Sauerstoff­­atom in der Kristall­­struktur fehlte. Diese Leerstelle erhöhte die elektrische Leit­fähigkeit und bot über schwache Bindungen angedockten Lithium­­ionen zusätzlichen Platz. Wie erste Versuche zeigten, konnte der unerwünschte Phasen­­wechsel der Kristall­struktur vermieden werden.

Auch nach 50 Ladezyklen büßte der Prototyp nur fünf Prozent seiner Speicher­­kapazität von etwa 550 Coulomb pro Gramm ein. Bisher verloren solche Strom­speicher nach nur wenigen Ladezyklen bis zur Hälfte ihrer Speicher­­kapazität. Dunn und Kollegen repro­duzierten diese Vergleichs­­werte mit zwei Molybdän­­trioxid-Varianten. Komplett oxidierte Kristalle (MoO3) bestätigten die geringe Zyklen­­festigkeit, ortho­rhombische Molybdän­­trioxid-Kristalle mit einzelnen Sauerstoff­­lücken (MoO3-x) zeigten dagegen eine signifikant erhöhte Stabilität. Über Röntgen­­beugung analysierten die Forscher auch die Kristall­­strukturen nach den Ladezyklen, die beim Molybdän­­trioxid mit Sauerstoff­­lücken erstaunlich stabil waren.

Mit diesen Ergebnissen 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 Testreihen ließen sich neben Molybdän­­trioxid auch weitere Metalloxid-Kristalle mit entrissenen Sauerstoff­atomen auf ihre strom­­speichernden Eigen­schaften untersuchen. So bietet die Pseudo­­kapazität einen verlockenden Ansatz für neuartige Schnelllade-Akkus. Vor einer möglichen Serien­produktion ist allerdings noch mit mehr­jähriger Entwicklungs­arbeit zu rechnen. (Quelle: J. O. Löfken / pro-physik.de)

Referenz: H.-S. Kim et al.: Oxygen vacancies enhance pseudocapacitive charge storage properties of MoO3-x, Nat. Mat., online 5. Dezember 2016; DOI: 10.1038/nmat4810

Link: Materials Science and Engineering, University of California Los Angeles

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