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Nanokondensatoren mit Big-Energy-Speicher
Der ultimative elektronische Energiespeicher würde viel Energie speichern, sich aber auch schnell aufladen und bei Bedarf starke Bursts liefern. Heutige Geräte können leider nur das eine oder das andere: Kondensatoren liefern eine hohe Leistung, während Batterien einen hohen Speicher bieten.
Nanoporen-Kraft: Anordnungen von Kondensatoren, die in Nanoporen eingebaut sind, werden hier in einer rasterelektronenmikroskopischen Aufnahme gezeigt, die mit einer Illustration überlagert ist, die ihr Design zeigt. Die Poren werden in ein Aluminiumsubstrat (dunkelgelb) geätzt. Die Kondensatoren bilden zwei dünne Metallschichten (blau), die durch eine Schicht Isoliermaterial (hellgelb) getrennt sind.
Nun haben Forscher der University of Maryland eine Art Kondensator entwickelt, der diese Eigenschaften vereint. Die Forschung befindet sich noch in einem frühen Stadium, und das Gerät muss skaliert werden, um praktikabel zu sein, aber erste Ergebnisse zeigen, dass es 100-mal mehr Energie speichern kann als frühere Geräte seiner Art. Letztendlich könnten solche Geräte Stromstöße aus erneuerbaren Quellen wie Wind speichern und diese Energie bei Bedarf in das Stromnetz einspeisen. Sie könnten auch Elektroautos antreiben, die sich in der Zeit aufladen, die zum Aufladen eines Benzintanks benötigt wird, anstatt wie heute sechs bis acht Stunden zum Aufladen.
Es gibt viele verschiedene Arten von Batterien und Kondensatoren, aber im Allgemeinen können Batterien große Energiemengen speichern, neigen jedoch dazu, sich langsam aufzuladen und schnell zu verschleißen. Kondensatoren hingegen haben eine längere Lebensdauer und können sich schnell entladen, aber sie speichern weit weniger Gesamtenergie. Elektrochemiker und Ingenieure haben daran gearbeitet, dieses Energiespeicherproblem zu lösen, indem sie die Leistung von Batterien und die Speicherkapazität von Kondensatoren erhöhen.
Sang Bok Lee , ein Chemieprofessor, und Gary Rubloff , Professor für Ingenieurwissenschaften und Direktor der Maryland NanoCenter , erstellte nanostrukturierte Anordnungen elektrostatischer Kondensatoren. Elektrostatische Kondensatoren sind die einfachste Art elektronischer Energiespeicher, sagt Rubloff. Sie speichern elektrische Ladung auf der Oberfläche zweier Metallelektroden, die durch ein Isoliermaterial getrennt sind; ihre Speicherkapazität ist direkt proportional zur Oberfläche dieser sandwichartigen Elektroden. Die Forscher aus Maryland steigerten die Speicherkapazität ihrer Kondensatoren, indem sie ihre Gesamtoberfläche durch Nanofabrikation vergrößerten. Ihre Elektroden funktionieren genauso wie bei herkömmlichen Kondensatoren, sind jedoch nicht flach, sondern röhrenförmig und tief in Nanoporen gesteckt.
Der Herstellungsprozess beginnt mit einer mit Aluminium beschichteten Glasplatte. Durch Behandlung mit Säure und Anlegen einer Spannung werden Poren in die Platte geätzt. Durch sorgfältige Kontrolle der Reaktionsbedingungen ist es möglich, sehr regelmäßige Anordnungen von winzigen, aber tiefen Poren mit einem Durchmesser von nur 50 Nanometern und einer Tiefe von bis zu 30 Mikrometern herzustellen. Der Prozess ist ähnlich wie bei der Herstellung von Speicherchips. Als nächstes lagert man eine sehr dünne Metallschicht, dann eine dünne Isolatorschicht und dann eine weitere dünne Metallschicht in diese Poren ein, sagt Rubloff. Diese drei Schichten fungieren als Elektroden und Isolierschicht der Nanokondensatoren. Eine Aluminiumschicht sitzt auf der Oberseite des Geräts und dient als ein elektrischer Kontakt; der andere Kontakt wird mit einer darunterliegenden Aluminiumschicht hergestellt.
Diese fraktalähnliche Struktur vergrößert die Oberfläche stark, sagt Joel Schindall , stellvertretender Direktor des MIT Labor für elektromagnetische und elektronische Systeme , der nicht an der Arbeit beteiligt war.
In einem Papier, das diese Woche online in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Natur Nanotechnologie , beschreibt die Maryland-Gruppe die Herstellung von 125 Mikrometer breiten Arrays, die jeweils eine Million Nanokondensatoren enthalten. Die Oberfläche jedes Arrays ist 250-mal größer als die eines herkömmlichen Kondensators vergleichbarer Größe. Die Speicherkapazität der Arrays beträgt etwa 100 Mikrofarad pro Quadratzentimeter.
Aber die Oberfläche ist nicht die einzige Determinante der Energiedichte. Auch die Nanokondensatoren der Maryland-Gruppe profitieren von dem sehr geringen Abstand zwischen ihren Elektroden, und die Arbeit ist in dieser Hinsicht einzigartig, sagt Robert Hebner , Direktor der Zentrum für Elektromechanik an der University of Texas in Austin. Hebner war nicht an der Maryland-Forschung beteiligt.
Liegen die Elektroden weit auseinander, stoßen sich ähnliche Ladungen auf ihren Oberflächen stark ab. Wenn die Elektroden näher beieinander platziert werden, gleichen die negativen und positiven Ladungen auf beiden Seiten diese abstoßenden Kräfte aus und mehr Gesamtladung kann in einem bestimmten Bereich gespeichert werden. Die Gesamtdicke jedes Nanokondensators beträgt nur 25 Nanometer, und die Ladungen können sehr eng zusammengepackt werden. Das ist beeindruckend, sagt Hebner. Ich hoffe, sie können es skalieren.
Bisher können die Nanokondensator-Arrays nicht viel Gesamtenergie speichern, weil sie so klein sind. Anstatt diese kleinen Punkte zu machen, wollen wir eine große Fläche schaffen, die Milliarden von Nanokondensatoren enthält, um große Mengen an Energie zu speichern, sagt Lee. Sowohl er als auch Rubloff sagen, dass die Skalierung auf ein praktisches Niveau nicht trivial ist, aber das Paar arbeitet zusammen, um größere Arrays zu erstellen. Es gibt viele Scale-up-Probleme, sagt Rubloff. Wir werden uns ansehen, wie groß wir diese machen können und trotzdem alle funktionieren.
Selbst wenn dieses Problem gelöst ist, müssen sie dennoch sicherstellen, dass sie mehrere Arrays effektiv miteinander verbinden können. Aber Hebner sagt, dass dieses Problem nicht hartnäckig ist, und weist auf Geräte auf dem Markt hin, einschließlich empfindlicher Magnetdetektoren, die ähnliche Verbindungsprobleme erfolgreich überwinden.
Ein Vorteil des neuen Herstellungsverfahrens besteht darin, dass die Nanoporenabmessungen und die jeweiligen Dicken von Elektrode und Isolator sorgfältig kontrolliert werden können. Regelmäßigkeit und Einheitlichkeit sind von zentraler Bedeutung für die Skalierung von Nanotechnologien auf etwas Herstellbares und Kommerzielles, sagt Rubloff. Es gibt noch große Hürden, aber wir versuchen zu entscheiden, wie wir das kommerzialisieren können – es besteht definitiv ein Durst danach.