Festkörper-Einzelschicht-Ultrakondensator

Leistungsdichte von Festkörper-Ultrakondensatoren

Eine neuere Entwicklung bei Festkörper-Einzellagen-Energiespeichern (SSESD) bietet eine Lösung. Der SSESD enthält ein Dielektrikum mit hoher Permittivität und einer Dielektrizitätskonstante in der Größenordnung von 16 Millionen.

Ein Dielektrikum ist jeder elektrische Isolator, der durch ein elektrisches Feld polarisiert werden kann. Unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes ändert sich die Ladungsverteilung im Dielektrikum so, dass sich positive Ladungen mit dem Feld ausrichten. Die drei primären Polarisationsmechanismen sind:

  • Ionenpolarisation, bei der positive Ionen mit dem Feld und negative Ionen gegen das Feld fließen
  • Orientierungspolarisation, wenn das Dielektrikum Materialien mit einem permanenten Dipolmoment enthält, d. h. die Moleküle eine ungleichmäßige Ladungsverteilung aufweisen
  • Grenzflächenpolarisation, bei der freie bewegliche Ladungen innerhalb des Materials zur Dielektrikum/Elektroden-Grenzfläche wandern; positive Ladungen wandern zur negativen Elektrode und positive Ladungen zur negativen Elektrode.

In seiner einfachsten Form besteht ein Kondensator aus einer dielektrischen Schicht, die zwischen zwei Leitern eingebettet ist. Durch Anlegen einer Spannung an den Leitern wird ein elektrisches Feld erzeugt. Die Dielektrizitätskonstante oder Permittivität (K) des Dielektrikums ist das Verhältnis zwischen dem Feld ohne Dielektrikum (Eo) und dem Feld mit Dielektrikum (E).

K = Eo/E

In dem beschriebenen Einschichtkondensator wird beim Anlegen einer Spannung (V) über den Leitern eine Ladung (Q) in den Kondensator induziert. Das Verhältnis zwischen der Spannung und der Ladung ist definiert als die Kapazität (C) des Kondensators.  

C = Q/V

Die Menge der gespeicherten Ladung hängt von der Fläche (A) der Leiter, dem Abstand (d) zwischen den Leitern und der Dielektrizitätskonstante ab.

 
C = K(A/d)

Für Kondensatoren mit identischen Abmessungen gilt also: Je höher der Wert von K, desto größer ist die Ladungsmenge, die gespeichert werden kann.

Die potenzielle elektrische Energie(E), die in einem geladenen Kondensator gespeichert ist, ist eine Funktion der Kapazität(C), der Spannung(V) über den Elektroden. Sie ist äquivalent zur Arbeit, die durch das Aufladen verrichtet wird und kann durch ausgedrückt werden:

E = ½ CV2

Die experimentelle Arbeit der letzten zwei Jahre bestand aus drei Schritten.

Der erste Schritt konzentrierte sich auf die Entwicklung von Bulk-Kondensator-Keramiken mit hoher Kapazität, die als Referenzmaterial verwendet werden können - im Gegensatz zur Eestor-Technologie, die eine sehr niedrige Dielektrizitätskonstante von 18.000 hat, im Gegensatz zu unserem neuesten Meilenstein von 20 Millionen.

Der zweite Schritt konzentrierte sich auf die Entwicklung von Keramiken mit hoher Oberfläche und verbesserter Ladungsspeicherfähigkeit.

Der dritte Schritt wird sich auf die Entwicklung dielektrischer Schichten auf Metallsubstrat konzentrieren, die gut am Metallsubstrat haften und keine Grübchen oder Diskontinuitäten aufweisen, die für die Abnahme der Kapazität verantwortlich sind. 

Das Pulver wurde gepresst und bei verschiedenen Temperaturen gebrannt, um dichte, nicht poröse Proben herzustellen. Die Proben wurden dann elektrolysiert und auf Kapazität (C), Dielektrizitätskonstante (K), dielektrischen Verlust (Verlust tan) und Temperaturkoeffizient der Kapazität (TCC) getestet.

 

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