Neuartige Dünnschichtkeramik für eine verbesserte Energiespeicherung
Es besteht ein wachsender Bedarf an hochverdichteten Energiespeichermaterialien. Kompakte, kostengünstige und umweltfreundliche Systeme werden eine bessere Nutzung der erneuerbaren Energien in Hybrid-Elektrofahrzeugen, mobiler medizinischer Elektronik und in Hilfsaggregaten ermöglichen.Kondensatoren speichern Energie, indem sie elektrische Ladung ohne giftige Chemikalien, mit langer Lebensdauer und ausgezeichneten elektrischen Eigenschaften physisch speichern. Sie sind vielleicht die vielversprechendste Lösung für effiziente und umweltfreundliche elektrische Energiespeicher und waren Gegenstand des von der EU finanzierten Projekts "High density energy storage materials" (HIDSOM). Das Ziel war die Entwicklung von neuartigen Materialien, die sich für die Nutzung in fortschrittlichen Mehrschichtkeramikkondensatoren eignen. Das Team konzentrierte sich auf drei kapazitive keramische Materialien und Techniken, um ihre Energiedichte zu erhöhen. Die Struktur der Korngrenze (grain boundary, GB) , die durch Sintern von keramischen Pulvern hergestellt wird, spielt eine integrale Rolle für die Porosität und damit Dichte des resultierenden Materials. Die Zugabe von Kalknatronglas oder Zinkoxid zu einer bekannten Keramik ((Ba1-xSrx) TiO 3) verbesserte die Verdichtung, GB-Festigkeit und das Bruchfeld und reduzierte die erforderliche Temperatur für das Funkenplasmasintern (Spark-Plasma-Sintern, SPS). Lanthium-Dotierung einer anderen Keramik (Pb (ZrxSnyTi1-xy) O3) ermöglichte eine porenfreie und gleichmäßige feinkörnige Struktur mit optimierten SPS-Parametern. Die Wissenschaftler untersuchten auch ein Mitglied einer neuen Klasse von Materialien genannt Relaxor-Ferroelektrika (das feste Material Pb (Zn1/3Nb2/3) O3-BaTiO3). Von diesem wird ein bemerkenswertes Phasenübergangsverhalten und dielektrische Reaktionen erwartet, die hochverdichtete Energiespeicher begünstigen. Die Forscher entwickelten auch ein Mikrostrukturmodell, einen umgekehrten Grenzschichtkondensator (reverse boundary layer capacitor,RBLC). Diese RBLC-Entwicklung wird in einem Artikel(öffnet in neuem Fenster), der im Journal of Applied Physics veröffentlicht wurde, skizziert. Im RBLC hat die GB eine höhere elektrische Leitfähigkeit als das Korn aufgrund der Einführung von Glaszusätzen, wodurch die maximale Energiemenge, die gespeichert werden kann, erhöht wird. Die Simulation unterstützte Verbesserungen der Energiedichte der RBLC im Vergleich zu normalen isolierenden Glasphasenverbundstoffen.HIDSOM demonstrierte eine verbesserte Leistung der neuartigen keramischen Materialien und Verarbeitungsverfahren für dünne Mehrschicht-Keramikkondensatoren. Angesichts der dringenden Notwendigkeit für fortschrittliche Energiespeicher, um die Entwicklung und Einführung von erneuerbaren Energiequellen zu beschleunigen, hat HIDSOM einen wichtigen Beitrag für die Zukunft von Anwendungen, einschließlich Hybridfahrzeuge und mobiler medizinischer Elektronik, geleistet.
