Penn State University Effizienter Filmkondensator bis +150 °C

Xin Chen (links), Doktorand an der Fakultät für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen an der Penn State University, und Qiming Zhang, Distinguished Professor für Elektrotechnik, testen auf diesem im Januar aufgenommenen Foto einen Folienkondensator.
Xin Chen (links), Doktorand an der Fakultät für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen an der Penn State University, und Qiming Zhang, Distinguished Professor für Elektrotechnik, testen auf diesem im Januar aufgenommenen Foto einen Folienkondensator.

Üblicherweise verschlechtert sich in einem elektrischen Bauteil andere Parameter, wen man einen optimiert. Nun haben Forscher der Penn State University einen Filmkondensator geschaffen, bei dem sowohl Speichereffizienz als auch die Wärmefestigkeit verbessert wurde, ohne die Kosten zu erhöhen.

In der Physik geht meist nicht beides – bei einem Kondensator beispielsweise entweder effiziente Speicherung elektrischer Energie oder hohe elektrische Durchschlagsfestigkeit und damit hohe Wärmebeständigkeit. Gewöhnlich führt die Erhöhung des einen Parameters zu einer Reduzierung des anderen.

Forscher der Penn State University unter der Leitung von Qiming Zhang, Distinguished Professor für Elektrotechnik, haben kürzlich eine skalierbare, kostengünstige Methode entwickelt, um beide Merkmale gleichzeitig zu erhöhen. Dazu veränderten sie das Dielektrikum im Kondensator mithilfe von Dotierstoffen – auch als Metamaterialien bezeichnet. Eine höhere elektrische Durchschlagsfestigkeit ermöglicht es dem Kondensator, höhere Temperaturen zu verkraften, ohne zu versagen. Dies ist eine wichtige Eigenschaft in vielen elektronischen und elektrischen Systemen, einschließlich Elektroautos, Industriebohrmaschinen und Stromnetzen. Das Bauteil kann bei Temperaturen über +150 °C einer höheren Spannung mit sehr geringem Energieverlust standhalten kann.

Auch wenn dies anderen Forschern bei Kondensatoren mit dielektrischen Eigenschaften gelungen war, erwiesen sich die Verfahren als zu kostenaufwendig, um sie für den Einsatz mit wirklichen Produkten zu skalieren.

»Wir nutzen Grenzflächeneffekte in Nano-Dotierstoffen, um sowohl die Speichereffizienz als auch die elektrische Durchschlagsfestigkeit mit einer sehr geringen Menge an Dotierstoffen und zu geringen Kosten zu erhöhen«, erläuterte Zhang. »Viele denken, dass sie den Kondensator mit einer Menge von Füllmaterialien füllen müssen, um eine höhere Effizienz bei der Energiespeicherung zu erreichen. Wir haben jedoch gezeigt, dass man dies auch in umgekehrter Richtung erreichen kann. Dies geschieht durch den Einsatz von Füllmaterialien mit sehr geringem Volumengehalt und sehr kostengünstigen Materialien, was ebenfalls zu einer höheren Durchschlagsfestigkeit führen kann. Das hält die Kosten niedrig und macht diese in hohem Maße skalierbar.«

»Hybridelektrische Autos verwenden heutzutage Kondensatoren aus einem Material, das als biaxial orientiertes Polypropylen, kurz BOPP, bekannt ist«, führte Zhang weiter aus. »Es arbeitet einwandfrei bis 80 Grad Celsius. Allerdings können die Fahrzeuge sehr heiß werden, sodass man ihn kühlen muss. Das erhöht die Kosten und das Volumen. Jetzt kann man diesen neuen Kondensator mit Metamaterialien, der kleiner ist, verwenden, um den bestehenden Kondensator zu ersetzen. Zudem muss man sich keine Sorgen um die Kühlung machen, da er höhere Temperaturen verträgt.«

Auch Ausrüstung, die für Tiefenbohrungen verwendet wird, könnte von einer erhöhten Temperaturgrenze und einem kleineren, preiswerteren Kondensator profitieren. Das öffentliche Stromnetz könnte ebenfalls von dieser technologischen Entwicklung profitieren, insbesondere im Hinblick auf die höhere Energieeffizienz und die höhere elektrische Durchschlagsfestigkeit.

»Wir haben kein neues Material geschaffen, aber durch die Verwendung von Metamaterialien auf solche Weise können wir die Leistungsfähigkeit vorhandener Materialien erheblich verbessern, ohne zusätzliche Kosten zu verursachen«, sagte Zhang.

Originalpublikation

T. Zhang, et al., A highly scalable dielectric metamaterial with superior capacitor performance over a broad temperature, Science Advances, 24 Jan 2020, Vol. 6, no. 4, eaax6622, DOI: 10.1126/sciadv.aax6622