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Lawrence Berkeley National Laboratory

Kondensatormaterial mit ultrahoher Energiedichte

25. August 2020, 11:00 Uhr   |  Ralf Higgelke

Kondensatormaterial mit ultrahoher Energiedichte
© Lane Martin

Um das neue Material herzustellen, wird die dünne Schicht zunächst in dieser Kammer mit einem gepulsten Laser abgeschieden. Die helle Wolke, die zu sehen ist, ist der Laser, der auf das Ziel trifft und das Material abscheidet.

Kondensatoren können elektrische Energie schnell speichern und wieder abgeben, haben aber eine niedrige Energiedicht. Bei Batterien ist es genau umgekehrt. Durch einen einfachen Nachbearbeitungsschritt haben Forscher nun ein Kondensatormaterial geschaffen, das das Beste aus beiden Welten verbindet.

Gestiegene Anforderungen an Kostensenkung und Miniaturisierung treiben die Entwicklung von Kondensatoren mit hoher Energiedichte voran. Ein am Berkeley Lab entwickeltes neues Material könnte die Leistungsfähigkeit, Zuverlässigkeit und Robustheit von Kondensatoren mit den Energiespeicherfähigkeiten größerer Batterien kombinieren. Zu den Anwendungsbereichen gehören Unterhaltungselektronik, Wearables und Kfz-Audiosysteme.

Das neue Material basiert auf einem sogenannten Relaxor-Ferroelektrikum. Dabei handelt es sich um eine Keramik, das auf ein äußeres elektrisches Feld schnell mechanisch oder elektronisch reagiert. Man findet es häufig als Kondensator in Anwendungen wie Ultraschall, Drucksensoren und Spannungsgeneratoren.

Platziert man ein ferroelektrisches Material zwischen zwei Elektroden und erhöht das elektrische Feld, baut sich Ladung auf. Während der Entladung hängt die Menge der verfügbaren Energie davon ab, wie stark sich die Elektronen des Materials als Reaktion auf das elektrische Feld orientieren oder polarisiert werden. Normalerweise können die meisten derartigen Materialien einem großen elektrischen Feld jedoch nicht standhalten, bevor sie versagen. Die grundlegende Herausforderung besteht daher darin, einen Weg zu finden, das elektrische Feld zu maximieren, ohne Abstriche bei der Polarisierung machen zu müssen.

Dies gelang nun Forschern im Labor von Lane Martin vom Institut für Materialwissenschaften (MSD) am Berkeley Lab und Professor für Materialwissenschaften und -technik an der UC Berkeley. Sie brachten lokale Defekte in das Material ein, sodass es höheren Spannungen standhalten konnte.

Beschuss mit Heliumionen

Dazu griffen die Forscher einen von ihnen zuvor entwickelten Ansatz auf, mit dem sie die Leitfähigkeit eines Materials ausschalten konnten. Indem sie einen dünnen Film mit energiereichen Ionen beschossen, konnten sie gezielt Defekte einführen. Diese Ionen fangen die Elektronen des Materials ein, verhindern ihre Bewegung und vermindern die Leitfähigkeit des Films um mehrere Größenordnungen.

»Bei Ferroelektrika, die eigentlich Isolatoren sein sollten, ist es sehr schwierig, dass Ladung durch sie hindurchsickert. Indem wir Ferroelektrika mit energiereichen Ionen beschossen, wussten wir, dass wir sie zu besseren Isolatoren machen können«, erklärte Jieun Kim, Doktorand in Martins Gruppe und Hauptautor des Artikels. »Und so fragten wir uns, ob wir den gleichen Ansatz verwenden könnten, um einen ferroelektrischen Relaxator dazu zu bringen, höheren Spannungen und elektrischen Feldern standzuhalten, bevor er katastrophal versagt.«

Die Antwort lautete Ja. Kim stellte zunächst dünne Filme eines ferroelektrischen Relaxor namens Blei-Magnesium-Niobit-Blei-Titanat her. Dann beschoss er diese Filme mit energiereichen Heliumionen in der Ionenstrahl-Analyseanlage der Abteilung für Beschleunigertechnologie und angewandte Physik (ATAP) am Berkeley Lab. Die Heliumionen rissen die Zielionen aus ihren Positionen und erzeugten punktförmige Defekte. Messungen ergaben, dass der mit Ionen beschossene Film eine mehr als doppelt so hohe Energiespeicherdichte wie die zuvor berichteten Werte und einen um 50 Prozent höheren Wirkungsgrad aufwies.

»Anfangs erwarteten wir, dass die Wirkungen hauptsächlich von der Verringerung der Leckströme mit isolierten Punktdefekten ausgehen würden. Wir erkannten jedoch, dass die Verschiebung in der Beziehung zwischen Polarisation und elektrischem Feld aufgrund einiger dieser Defekte ebenso wichtig war«, erläuterte Martin. »Diese Verschiebung bedeutet, dass wir immer höhere Spannungen anlegen konnten, um die maximale Änderung der Polarisation zu erzeugen. Das Ergebnis legt nahe, dass der Beschuss mit Ionen dazu beitragen kann, den Kompromiss zwischen hoher Polarisierbarkeit und Durchbruchfeldstärke zu überwinden.«

Der gleiche Ansatz mit Ionenstrahlen könnte auch andere dielektrische Materialien verbessern, um die Energiespeicherung zu erhöhen. Er bietet Forschern ein Werkzeug, um Störungen an bereits synthetisierten Materialien zu beheben. »Es wäre großartig zu sehen, wie Leute diese Methoden des Ionenstrahls nutzen, um Materialien in Bauteilen nachträglich zu 'heilen', wenn deren Synthese oder Produktionsprozess nicht perfekt funktioniert«, meinte Kim.

Unterstützt wird die Forschung durch das Materials Project, eine offene Online-Datenbank, die Wissenschaftlern auf der ganzen Welt faktisch die größte Sammlung von Materialeigenschaften zur Verfügung stellt. Heute kombiniert das Materials Project sowohl rechnergestützte als auch experimentelle Anstrengungen, um u.a. die Entwicklung neuer funktioneller Materialien zu beschleunigen. Dazu gehört das Nachvollziehen von Möglichkeiten, bekannte Materialien so zu manipulieren, dass ihre Leistungsfähigkeit steigt.

Originalpublikation

J. Kim, et al, Ultrahigh capacitive energy density in ion-bombarded relaxor ferroelectric films, Science, 03 Jul 2020, Vol. 369, Issue 6499, pp. 81-84, DOI: 10.1126/science.abb0631

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