DE102019126382A1

DE102019126382A1 - Kondensator mit variabler Kapazität mit Aerogel-Elektroden und darauf basierender Gleichspannungswandler

Info

Publication number: DE102019126382A1
Application number: DE102019126382.4A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Sottong; Marina Schwan; Barbara Milow
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2019-09-30
Filing date: 2019-09-30
Publication date: 2021-04-01

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft den Einsatz von elastisch verformbaren Aerogelen in Elektroden von Kondensatoren mit variabler Kapazität sowie Gleichspannungswandler, die auf den erfindungsgemäßen Kondensatoren basieren. Insbesondere betrifft die Erfindung Kondensatoren, deren Dielektrikum in Form eines Festelektrolyten und eines flüssigen Elektrolyten vorliegt, wobei der flüssige Elektrolyt den Porenraum einer Elektrode mit einem elastisch verformbaren Aerogel durchdringt und durch Kompression des Aerogels aus dem Raum zwischen den Elektroden verdrängt werden kann, wobei durch Variation der relativen Permittivität des Dielektrikums die Kapazität des Kondensators verändert werden kann.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft den Einsatz von elastisch verformbaren Aerogelen in Elektroden von Kondensatoren mit variabler Kapazität sowie Gleichspannungswandler, die auf den erfindungsgemäßen Kondensatoren basieren. Insbesondere betrifft die Erfindung Kondensatoren, deren Dielektrikum in Form eines Festelektrolyten und eines flüssigen Elektrolyten vorliegt, wobei der flüssige Elektrolyt den Porenraum einer Elektrode mit einem elastisch verformbaren Aerogel durchdringt und durch Kompression des Aerogels aus dem Raum zwischen den Elektroden verdrängt werden kann, wobei durch Variation der relativen Permittivität des Dielektrikums die Kapazität des Kondensators verändert werden kann.
Große Anteile (bis zu 70%) der weltweit verfügbaren Primärenergie gehen ungenutzt verloren, da sie als Zusatzprodukt zum Bespiel bei Verbrennungsprozessen in Form von Wärme auf niedrigen Temperaturniveaus dem eigentlichen Prozess nicht mehr zur Verfügung stehen. Thermoelektrische Generatoren (TEG) können zwar Abwärme teilweise in elektrische Leistung wandeln, erzeugen bei kleinen Temperaturdifferenzen jedoch nur sehr geringe Gleichspannungen, die für eine Nutzung oder Speicherung durch zum Teil aufwändige elektrische Schaltungen (DC-DC-Converter, MPP-Tracker) auf höhere Spannungsniveaus transformiert werden müssen. Gleiches gilt zum Beispiel auch für Energie aus Solarzellen, die nicht einer optimalen Sonneneinstrahlung ausgesetzt sind. Eine Wandlung von DC-Spannungen in einem einzigen Bauteil ist in Leistungsanwendungen derzeit nicht möglich.
Elektrische Spannungen können grundsätzlich als Wechselspannungen (AC) oder Gleichspannungen (DC) erzeugt und genutzt werden, wobei nur Wechselspannungen mit Hilfe von Transformatoren auf höhere beziehungsweise niedrigere Spannungsniveaus gebracht werden können. Eine Wandlung von DC-Spannungen in einem einzigen Bauteil ist in Leistungsanwendungen derzeit nicht möglich. Diese kann nur durch Kombination mehrerer Kondensatoren, Schalter und Dioden in einer Ladungspumpe oder durch vorherige Umwandlung in eine AC-Spannung erreicht werden, die anschließend über einen AC-Transformator transformiert und anschließend wieder zurück in eine DC-Spannung gewandelt wird (DC-DC-Wandler, DC-DC-Converter).
Bei den zur Wandlung von angelegten Gleichspannungen genutzten DC-DC-Wandlern handelt es sich um Schaltungen mehrerer elektronischer Komponenten, wie Spulen und Kondensatoren. Ausgangsspannungen von elektrischen Niedrigspannungs-Quellen werden nach dem aktuellen Stand der Technik mit DC-DC-Wandlern, die aufwendige Schaltungen aus mehreren Schaltungselementen wie Spulen und Kondensatoren darstellen oder mit MPPT-Netzwerken verstärkt. Maximum Power Point Tracking ist ein Verfahren, bei dem die elektrische Belastung einer Quelle so angepasst wird, dass der Quelle die größte mögliche Leistung entnommen werden kann. Beide Methoden sind aufwändig in der Fertigung, daher teuer und gegebenenfalls anspruchsvoll in Bezug zum zu nutzenden Bauraum. Es besteht daher Bedarf an neuartigen Gleichspannungswandlern mit einfachem Aufbau und einfacher Herstellung, die aus möglichst wenigen Bauteilen bestehen.
Zur Spannungswandlung prinzipiell geeignet sind elektrische Kondensatoren. Schematisch bestehen elektrische Kondensatoren, wie in 1 gezeigt ist, aus zwei Elektroden und einem dazwischen angeordneten Dielektrikum. Diese drei Schichten können auch gestapelt (dabei werden sie parallelgeschaltet) oder gewickelt verbaut werden. Die Elektroden bestehen aus leitfähigem Material, das Dielektrikum ist eine schwach leitende oder isolierende Substanz in fester, gasförmiger oder flüssiger Form. Bei Kapazitätsdioden wird die Funktion des Dielektrikums von einer Ladungsträgerverarmungszone übernommen. Kondensatoren speichern Ladungsträger aus einer Gleichspannungsquelle auf ihren Elektroden und erzeugen hierbei ein elektrisches Polarisationsfeld im zwischen den Elektroden liegenden Dielektrikum.
Festkondensatoren haben einen vordefinierten Kapazitätswert, der durch die Ladungsmenge, die im Kondensator gespeichert werden kann, und die hierzu angelegte Spannung entsprechend Gleichung (1) definiert wird. $C = \frac{Q}{U}$
Hierbei sind Q die gespeicherte Ladung, U die angelegte Spannung und C die Kapazität des Kondensators. Kondensatoren aus dem Stand der Technik werden entweder als Festkondensatoren (Kondensatoren mit festgelegter Kapazität) oder als Kondensatoren mit einstellbarer Kapazität (Drehkondensatoren, Trimmer, Kapazitätsdioden) gefertigt. Die Kapazität eines Kondensators lässt sich aus der Fläche A, dem Abstand d der Elektroden, der elektrischen Feldkonstante des Vakuums ε₀ und der relativen Permittivität des verwendeten Dielektrikums ε_r (im englischen Gebrauch auch K) gemäß Gleichung (2) berechnen. $C = ε_{0} ε_{r} \frac{A}{d}$
Für gasförmige, flüssige und feste Materie ist ε_r >1. Durch Variation der Kapazität C kann daher gemäß Gleichung (1) die bei einer bestimmten Ladung Q zwischen den Elektroden des Kondensators anliegende Spannung U beeinflusst werden, womit sich Kondensatoren prinzipiell zur Spannungswandlung eignen.
Bei Kondensatoren mit einstellbarer Kapazität aus dem Stand der Technik kann diese durch mechanische Beeinflussung der Kondensatorgeometrie (beispielswiese Verdrehen) oder elektrisch (bei Kapazitätsdioden) verändert werden.
So basieren beispielsweise kapazitive Sensoren nach dem Stand der Technik darauf, dass zwei Elektroden, von denen eine eine zu messende Oberfläche sein kann, die Platten eines elektrischen Kondensators bilden, dessen messbare Kapazität oder Kapazitätsänderung folgendermaßen beeinflusst werden kann:

a) Eine Platte wird durch den zu messenden Effekt verschoben oder verformt, wodurch sich der Plattenabstand und damit die elektrisch messbare Kapazität ändern.
b) Die Platten sind starr und die Kapazität ändert sich, weil entweder elektrisch leitendes Material oder ein Dielektrikum in die unmittelbare Umgebung gebracht wird.
c) Die wirksame Plattenfläche ändert sich, indem die Platten wie bei einem Drehkondensator gegeneinander verschoben werden.

WO 2015/089491 A1 beschreibt einen Kapazitätssensor, der auf einem flüssigen Elektrolyten basiert, der von festen Elektroden eingeschlossen ist. Der Kapazitätssensor zeichnet sich durch einen elastischen Elektrolyt-Elektroden-Kontakt mit hoher Grenzflächenkapazität aus, wodurch eine angelegte Kraft oder ein ausgeübter Druck mit hoher Empfindlichkeit und Auflösung bestimmt werden kann.
US 2007/248799 A1 offenbart einen flexiblen Kapazitätssensor, der ein Dielektrikum sowie zwei elektrisch leitende Schichten, die das Dielektrikum einschließen, umfasst. Eine angelegte Kraft wird gemessen, indem die durch die Kraft verursachte Kapazitätsänderung des Kondensators bestimmt wird.
Park et al. (D.-W. Park et al., Current Applied Physics 2016, 16, 658-664) beschreiben den Einsatz von mesoporösen Kohlenstoffaerogelen in Elektroden von Superkondensatoren. Die beschriebenen Kondensatoren weisen eine starre Form auf und ihre Kapazität kann nicht variiert werden.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Kondensatoren mit variabler Kapazität und Gleichspannungswandler weisen den Nachteil auf, dass sie nur geringe Verstärkungsfaktoren für DC-DC-Wandlung auf direktem Wege bereitstellen können. Im Stand der Technik sind daher niedrige Spannungsniveaus insbesondere zur Aufladung von Batterien oder zur Versorgung sonstiger Verbraucher auf höheren Spannungsniveaus nicht nutzbar. Gleichspannungswandler aus dem Stand der Technik zeichnen sich aufgrund des Einsatzes mehrerer elektronischer Bauteile (DC-DC-Wandler) durch eine hohe Komplexität aus. Somit sind zur Nutzung kleiner Spannungen aufwändige, teure Schaltungen mit gegebenenfalls großem Bauraumbedarf notwendig.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Kondensatoren mit variabler Kapazität bereitzustellen, die die zuvor beschriebenen Nachteile vermeiden und damit insbesondere zum Einsatz in Gleichspannungswandlern mit einer großen Spannungsverstärkungswirkung aufweisen und somit die effiziente Nutzung von niedrigen Gleichspannungen ermöglichen, geeignet sind. Insbesondere sollen Kondensatoren mit variabler Kapazität und hohen Leistungs- und Energiedichten bereitgestellt werden. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Gleichspannungswandler bereitzustellen, die die Nachteile des Stands der Technik vermeiden und aus wenigen Bauteilen, insbesondere aus einem einzelnen Kondensator bestehen.
In einer ersten Ausführungsform wird diese Aufgabenstellung gelöst durch einen elektrischen Kondensator mit variabler Kapazität umfassend mindestens zwei Elektroden und ein Dielektrikum, der dadurch gekennzeichnet ist, dass eine oder mehrere Elektrode(n), insbesondere zwei Elektroden, ein elastisch verformbares Aerogel umfasst/umfassen.
Der erfindungsgemäße Kondensator mit variabler Kapazität unterscheidet sich von den Kondensatoren aus dem Stand der Technik insbesondere darin, dass mindestens eine Elektrode ein elastisch verformbares Aerogel umfasst. Die Oberfläche der Elektroden ist gegenüber dem Stand der Technik durch die Verwendung von Aerogelen sehr groß, da Aerogele durch ihre Porosität große Oberflächen besitzen. Hierdurch wird eine große relative Kapazität des Kondensators (von beispielsweise 21.8 F/g) erreicht, sodass viele Ladungsträger gespeichert werden können. Kondensatoren mit Aerogelen zeichnen sich gegenüber dem Stand der Technik durch höhere Energie- und Leistungsdichten aus. Durch die elastische Verformbarkeit der erfindungsgemäß eingesetzten Aerogele können die Elektroden komprimiert beziehungsweise deformiert werden, sodass durch mechanische Beeinflussung des Kondensators eine Veränderung der Kapazität und damit eine Spannungstransformation initiiert werden kann.
Die erfindungsgemäßen Kondensatoren mit variabler Kapazität können Gleichspannungen direkt herauf- oder herabtransformieren und eignen sich somit als elementare elektrische beziehungsweise elektronische Bauteile für eine Vielzahl von DC-Anwendungen. Ihre Leistungs- und Energiedichte ist dabei insbesondere im Bereich von 2.4 kW/kg beziehungsweise 22.1 Wh/kg und mehr, womit die erfindungsgemäßen Kondensatoren besonders gut für Leistungsanwendungen geeignet sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Dielektrikum einen Festelektrolyten mit einer ersten relativen Permittivität ε₁ als Separator zwischen mindestens zwei Elektroden und einen flüssigen Elektrolyten mit einer zweiten relativen Permittivität ε₂. Die erste relative Permittivität ε₁ ist insbesondere geringer ist als die zweite relative Permittivität ε_2. In dieser Ausführungsform steht der flüssige Elektrolyt mit mindestens einer der Elektroden in Kontakt und dringt wenigstens teilweise in einen Porenraum des elastisch verformbaren Aerogels ein.
Vorzugsweise kann die Kapazität des Kondensators variiert werden, indem durch Kompression des elastisch verformbaren Aerogels ein Teil des flüssigen Elektrolyten aus dem Raum zwischen den Elektroden verdrängt wird und/oder durch Expansion des elastisch verformbaren Aerogels ein Teil des flüssigen Elektrolyten in den Raum zwischen den Elektroden eindringt.
Während in Kondensatoren aus dem Stand der Technik in der Regel nur eine Art von Dielektrikum vorhanden ist, nutzen die erfindungsgemäßen Kondensatoren vorzugsweise einen Festelektrolyten niedriger relativer Permittivität ε₁ als Separator zwischen beispielsweise mindestens zwei Kammern, in denen sich die Elektroden einzeln befinden, in Kombination mit einem flüssigen Elektrolyten hoher relativer Permittivität ε₂, der die porös hergestellten Elektroden ausfüllt und nicht nur mit einer planen Oberfläche in Kontakt steht.
Erfindungsgemäß umfasst wenigstens eine Elektrode ein elastisch verformbares Aerogelmaterial, welches vorzugsweise mit dem flüssigen Elektrolyten durchdrungen ist. Vorzugsweise umfassen zwei Elektroden ein elastisch verformbares Aerogelmaterial, welches mit dem flüssigen Elektrolyten durchdrungen ist. Die Elektroden können beispielsweise jeweils in eine Kammer eingebracht werden, die mit dem flüssigen Elektrolyten gefüllt ist. Die beiden Kammern sind insbesondere durch den Festelektrolyten voneinander getrennt.
Bei Kompression der Aerogel-Elektroden kann der flüssige Elektrolyt in ein Reservoir entweichen, sodass nur der Festelektrolyt für die Aufrechterhaltung der Polarisation zwischen den Elektroden verfügbar bleibt. Durch die damit verbundene Veränderung der Permittivität des Dielektrikums ändert sich die Kapazität des Kondensators und dementsprechend die bei einer bestimmten Ladung anliegende Spannung gemäß Gleichung (1). Ein starker Unterschied in den relativen Permittivitäten der Elektrolyten kann in besonders hohem Maße zu der mit dem erfindungsgemäßen Kondensator erreichbaren Spannungsverstärkung beitragen. Bei Kompression schließen sich die Poren der Elektroden, sodass der Flüssigelektrolyt aus der Elektrode herausgepresst wird und sich die Oberfläche der Elektrode durch Kurzschließen zwischen gegenüberliegenden Porenflächen verringert. Die verringerte Elektrodenoberfläche trägt ebenfalls zu der mit dem erfindungsgemäßen Kondensator erreichbaren Spannungsverstärkung bei.
Wird eine externe Spannung an einen solchen bevorzugten Kondensator angelegt, lädt dieser sich entsprechend Gleichung (1) mit Ladungsträgern auf bis die externe Spannung im Kondensator erreicht ist. Wird der Kondensator nun vom Schaltkreis getrennt, was physisch entweder durch Entfernen der Zuleitungen oder durch geeignete Nutzung von beispielsweise Schaltern oder Dioden erfolgen kann, verbleiben die Ladungsträger zunächst im Kondensator und an den Elektroden liegt die Spannung U an. Werden die flexiblen offenporigen Elektroden nun komprimiert beziehungsweise deformiert, strömt der flüssige Elektrolyt hoher relativer Permittivität ε₂ aus den Poren heraus, der Abstand d zwischen den metallischen Kontaktfolien des Kondensators wird geringer und die Poren des aufgebrachten Kohlenstoffaerogels werden zusammengedrückt, sodass die Fläche A der Elektroden verringert wird.
Unter Beachtung von Gleichung (2) wird die Kapazität des Kondensators durch diese Effekte wie folgt beeinflusst:

a) Flüssiger Elektrolyt strömt heraus -> rel. Permittivität ε_r fällt (bis zum Wert ε₁ des Festelektrolyten) -> C wird geringer
b) d wird geringer -> C steigt
c) A wird geringer -> C wird geringer.

Aufgrund der vorzugsweise gewählten hohen Permittivitätsunterschiede zwischen Fest- und Flüssigelektrolyt, sowie der durch die Aerogelschicht großen Oberfläche der Elektroden überwiegen die Effekte (a) und (c) gegenüber Effekt (b), die Kapazität C des Kondensators wird also geringer.
Hierdurch steigt nach Gleichung (1) die Spannung U zwischen den Elektroden des Kondensators, da keine Ladungsträger Q vernichtet/abgeführt werden können. Diese erhöhte Gleichspannung steht nun einem im Anschluss angeschlossenen/zugeschalteten Schaltkreis zur Verfügung.
Bei Expansion eines zuvor komprimierten Kondensators, treten die Effekte (a) bis (c) genau umgekehrt auf, sodass eine Gleichspannung verringert werden kann. Somit ist durch Nutzung des bevorzugten Kondensators eine Spannungstransformation von Gleichspannungen in einem Bauteil möglich.
Die periodische mechanische Verformung des Kondensators kann hierbei entweder durch aktive Bauteile (wie beispielsweise Piezoaktuatoren) oder durch im Anwendungssystem vorhandene Bewegungen (beispielsweise bewegte Teile oder Schwingungen bei Fahrzeugen und Maschinen, Muskelkontraktionen im Körper, Kompression der Schuhsohle beim menschlichen Gehen, Bewegung von Wellen rotierender Systeme (beispielsweise Windkrafträder)) erfolgen.
2 zeigt ein schematisches Beispiel für einen erfindungsgemäß bevorzugten Kondensator mit einem Festelektrolyten, der zwei Kammern mit einem flüssigen Elektrolyten und zwei Elektroden in den Kammern umfasst.
Der Festelektrolyt weist vorzugsweise eine erste relative Permittivität ε₁ in einem Bereich von 2,2 F/m bis 6 F/m, bevorzugt 2 F/m bis 4 F/m, besonders bevorzugt 2 F/m bis 3,5 F/m, insbesondere 3 F/m auf, siehe auch Handbook of Chemistry and Physics; David R. Lide, 78. Aufl. 1997, S. 13-12.
Der flüssige Elektrolyt weist vorzugsweise eine zweite relative Permittivität ε₂ in einem Bereich von 2,7 F/m bis 90,0 F/m, bevorzugt 20 F/m bis 90 F/m, besonders bevorzugt 65 F/m bis 90 F/m insbesondere 90 F/m auf.
Die Differenz zwischen der Permittivität des Festelektrolyten und der Permittivität des flüssigen Elektrolyten liegt vorzugsweise in einem Bereich von 20 bis 87, bevorzugt 40 bis 87, besonders bevorzugt 70 bis 87, insbesondere 85.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Festelektrolyt ausgewählt aus Polyethylen, Polycarbonat oder einer Kombination der vorgenannten Materialien.
Der flüssige Elektrolyt ist vorzugsweise ausgewählt aus Glycerin, Methanol, destilliertem Wasser, ET₄NBF₄/PC, oder organischen, Ester haltigen Elektrolyten wie Ethylencarbonat oder Propylencarbonat oder deren Mischungen.
Der erfindungsgemäße Kondensator weist vorzugsweise eine spezifische Kapazität in einem Bereich von 1F/g bis 30 F/g auf. Besonders bevorzug ist eine spezifische Kapazität in einem Bereich von 15 F/g bis 25 F/g, insbesondere 20 F/g bis 23 F/g.
Der erfindungsgemäße Kondensator weist vorzugsweise eine Leistungsdichte in einem Bereich von 1 kW/kg bis 3 kW/kg auf. Besonders bevorzugt ist eine Leistungsdicht in einem Bereich von 2 bis 3 kW/kg, insbesondere 2,4 bis 2,5 kW/kg.
Der erfindungsgemäße Kondensator weist vorzugsweise eine Energiedichte in einem Bereich von 10 bis 22 Wh/kg auf. Besonders bevorzugt ist eine Energiedichte in einem Bereich von 15 bis 22 Wh/kg, insbesondere 20 bis 22 Wh/kg.
Mit den erfindungsgemäßen Kondensatoren lassen sich insbesondere Spannungserhöhungen in einem Bereich von bis zu 20% erreichen.
Das erfindungsgemäß eingesetzte Aerogel muss eine elektrische Leitfähigkeit aufweisen, um als Elektrodenmaterial geeignet zu sein. Weiterhin ist das erfindungsgemäß eingesetzte Aerogel elastisch verformbar. Flexibilität oder elastische Verformbarkeit ist die Eigenschaft eines Körpers, nach einer Verformung wieder in den ursprünglichen Zustand zurückzukehren, sobald die verformende Kraft nicht mehr wirkt. Beträgt die elastische Verformbarkeit beispielsweise 25%, bedeutet es, dass das um 25% einaxial komprimierte Material nach Entfernen der Kraft vollständig in den Ausgangszustand zurückkehrt. Für diese Erfindung soll die elastische Verformbarkeit vorzugsweise einen Wert von mindestens 10 % aufweisen. Besonders bevorzugt ist eine elastische Verformbarkeit von mindestens 15%. Ganz besonders bevorzugt weist das Kohlenstoffaerogel eine elastische Verformbarkeit von mindestens 25% auf. Die elastische Verformbarkeit beträgt vorzugsweise nicht mehr als 30%.
Ein erfindungsgemäß einsetzbares Aerogel ist insbesondere in DE 10 2012 218 548 A1 beschrieben, ohne dass die vorliegende Erfindung auf das dort offenbarte Material beschränkt wäre.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem elastisch verformbaren Aerogel um ein elastisch verformbares Kohlenstoffaerogel und/oder um ein metallisiertes elastisch verformbares Aerogel. Als metallisiertes elastisch verformbares Aerogel eignet sich prinzipiell jedes elastisch verformbare Aerogel, das durch eine Beschichtung mit einem Metall leitfähig gemacht wurde. Die Metallisierung von cellulose-basierten Aerogelen ist beispielsweise in [M. Schestakow, F. Muench, C. Reimuth, L. Ratke, W. Ensinger, Appl. Phys. Lett. 2016, 108, 213108] beschrieben.
Ein elastisch verformbares Kohlenstoffaerogel kann insbesondere erhältlich sein durch Pyrolyse eines elastisch verformbaren organischen Aerogels. Ein geeignetes organisches Aerogel als Ausgangsmaterial für das durch Pyrolyse erhaltene Kohlenstoffaerogel ist beispielsweise in DE 10 2012 218 548 A1 beschrieben, auf die insoweit vollinhaltlich Bezug genommen wird. Die Karbonisierung (Pyrolyse) zur Herstellung des Aerogels kann beispielsweise unter Argonatmosphäre bei einer Temperatur von mindestens 900 °C, vorzugsweise 950 °C, und bis zu 1000 °C durchgeführt werden. Vorzugsweise beträgt die Temperatur 1000 °C. Temperaturen oberhalb von 1000°C führen zu einer hohen Schrumpfung und Reduktion des Porenvolumens. Temperaturen unterhalb von 900°C führen zu einer nicht vollständigen Karbonisierung. Die Karbonisierung erfolgt vorzugsweise innerhalb einer Stunde.
Vorzugsweise ist das elastisch verformbare Kohlenstoffaerogel erhältlich mit einem Verfahren umfassend die folgenden Schritte:

a) Ansetzen einer Lösung enthaltend destilliertes Wasser, Resorcin, Formaldehyd und eine Base, insbesondere Natriumcarbonat, wobei Formaldehyd in Bezug auf Resorcin im stöchiometrischen Überschuss vorliegt und das Stoffmengenverhältnis von Resorcin und Wasser in einem Bereich von 0,006 bis 0,01 liegt;
b) Einstellen des pH-Wertes der Lösung auf einen Bereich von 5,3 bis 5,6;
c) Gelation bei einer Temperatur von 70 bis 90 °C;
d) Abkühlen des Gels auf Raumtemperatur und Waschen mit einem aprotischen organischen Lösungsmittel;
e) Trocknen des Gels bei einer gegenüber Raumtemperatur erhöhten Temperatur;
f) Pyrolyse des Gels, insbesondere bei einer Temperatur in einem Bereich von 900 bis 1000°C in einer Inertgasatmosphäre.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kondensators umfasst mindestens eine Elektrode ein monolithisches elastisch verformbares Aerogel und/oder ein elastisch verformbares Aerogel auf einem starren oder flexiblen Substrat. Insbesondere besteht mindestens eine Elektrode aus einem der genannten Materialien. Vorzugsweise umfassen zumindest zwei Elektroden eines der genannten Materialien beziehungsweise bestehen aus einem der genannten Materialien. Vorzugsweise umfassen alle Elektroden des erfindungsgemäßen Kondensators ein elastisch verformbares Aerogel in Form eines Monolithen oder auf einem starren oder flexiblen Substrat oder bestehen daraus. Als Substrat kommt grundsätzlich jedes geeignete Material infrage, das eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit aufweist. Besonders bevorzugte starre Substrate umfassen metallische Bleche, metallische Folien wie Stahl, Nickel und Platin. Besonders bevorzugte flexible Substrate umfassen Nickel und Platin.
Ein elastisch verformbares monolithisches Aerogel kann nach einem Verfahren aus dem Stand der Technik hergestellt werden und unmittelbar in einem erfindungsgemäßen Kondensator eingesetzt werden. Soll eine Elektrode mit einem Aerogel auf einem Substrat eingesetzt werden, so kann ein entsprechendes Aerogel mit jedem geeigneten Verfahren aus dem Stand der Technik auf das Substrat aufgebracht werden. Das Aufbringen kann beispielsweise mithilfe eines Rakelverfahrens oder Sprühens erfolgen.
Besonders bevorzugt ist jedoch, insbesondere wenn ein Kohlenstoffaerogel als elastisch verformbares Aerogel eingesetzt werden soll, das Aerogel in situ auf dem Substrat zu formen. In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kondensators ist demnach wenigstens eine Elektrode des Kondensators erhältlich mit einem Verfahren umfassend die folgenden Schritte:

a) Ansetzen einer Lösung enthaltend destilliertes Wasser, Resorcin, Formaldehyd und eine Base, insbesondere Natriumcarbonat, wobei Formaldehyd in Bezug auf Resorcin im stöchiometrischen Überschuss vorliegt und das Stoffmengenverhältnis von Resorcin und Wasser in einem Bereich von 0,006 bis 0,01 liegt;
b) Einstellen des pH-Wertes der Lösung auf einen Bereich von 5,3 bis 5,6;
c) Bereitstellen eines Substrats mit einem Schmelzpunkt von mehr als 1100°C;
d) Aufbringen der gelierenden Resorcin-Formaldehyd-Lösung auf das Substrat;
e) Gelation bei einer Temperatur von 70 bis 90 °C;
f) Abkühlen des Gels auf Raumtemperatur und Waschen mit einem aprotischen organischen Lösungsmittel;
g) Trocknen des Gels bei einer gegenüber Raumtemperatur erhöhten Temperatur;
h) Pyrolyse des Gels, insbesondere bei einer Temperatur in einem Bereich von 900 bis 1000°C in einer Inertgasatmosphäre.

Elektroden, die mit dem beschriebenen Verfahren erhältlich sind, zeichnen sich insbesondere durch besonders gute Haftung zwischen dem Aerogel und dem Substrat aus. In dem beschriebenen Verfahren wird ein Substrat (stellenweise) mit einem Film von gehörender Resorcin-Formaldehyd-Lösung überzogen, der in der Folge einer Trocknung unterzogen wird. Die Zusammensetzung des Ansatzes ist hierbei so gewählt (beispielsweise Molare Verhältnisse Resorcin: Wasser=0,008; Resorcin: Katalysator (Natriumcarbonat)=50; Resorcin: Formaldehyd=0,5), dass sich flexible Aerogele auf Basis von Resorcin-Formaldehyd bilden. Durch einen Carbonisierungsschritt (Pyrolyse), insbesondere bei einer Temperatur von 900 bis 1000°C, unter Inertgasatmosphäre, beispielsweise Argonatmosphäre, wird die Aerogelstruktur in einen offenporigen elastisch verformbaren Kohlenstoff-Aerogel-Film überführt [5].
Die Pyrolyse wird vorzugsweise bei einer Temperatur in einem Bereich von 900 bis 1000°C durchgeführt. Aus diesem Grund müssen Substrate eingesetzt werden, deren Schmelzpunkt oberhalb der im Pyrolyseschritt f) eingestellten Temperatur liegt, insbesondere über 1000 °C. Beispielsweise sind die Substrate aus metallischen Blechen oder Folien hergestellt, deren Material (beispielsweise Nickel, Titan oder Stahl) einen Schmelzpunkt aufweist, der über der zur Aerogel-Karbonisierung notwendigen Prozesstemperatur, insbesondere über 1000°C liegt.
Ein erfindungsgemäßer Kondensator kann insbesondere zur Transformation von Gleichspannungen auf höhere Energieniveaus für den Aufbau elektrischer und elektronischer Schaltkreise, zur Aufwertung niedriger Spannungsniveaus, beispielsweise zum Laden von Batterien oder zur Restenergienutzung eingesetzt werden.
In einer alternativen Ausführungsform wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabenstellung gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Kondensators, umfassend die folgenden Schritte:

a) Bereitstellen einer ersten Elektrode umfassend ein elastisch verformbares Aerogel, insbesondere ein elastisch verformbares Kohlenstoffaerogel;
b) Infiltrieren des elastisch verformbaren Aerogels mit einem flüssigen Elektrolyten;
c) Bereitstellen eines Behälters mit einer ersten Kammer, wobei die erste Kammer mit dem flüssigen Elektrolyten gefüllt ist und wenigstens teilweise mit einem Festelektrolyten von der Umgebunggetrennt ist;
d) Einbringen der Elekrode in die erste Kammer des Behälters;
e) Bereitstellen wenigstens einer weiteren Elektrode, wobei die wenigstens eine weitere Elektrode durch den Festelektrolyten von der ersten Kammer mit der ersten Elektrode getrennt ist.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren kann jede der zuvor beschriebenen Elektroden, jedes der zuvor beschriebenen Aerogele sowie jeder der zuvor beschriebenen Festelektrolyten oder flüssigen Elektrolyten eingesetzt werden.
Vorzugsweise wird die wenigstens eine weitere Elektrode bereitgestellt, indem eine zweite Elektrode umfassend ein elastisch verformbares Aerogel, das mit flüssigem Elektrolyten infiltriert ist, in eine zweite Kammer des Behälters eingebracht wird, wobei die zweite Kammer mit flüssigem Elektrolyten gefüllt ist und über den Festelektrolyten mit der ersten Kammer verbunden ist.
Insbesondere können mindestens zwei der zuvor genannten Elektroden mit einem Flüssigelektrolyten mit hoher relativer Permittivität ε₂ getränkt und in ein mit diesem Elektrolyten gefülltes Behältnis eingebracht, sodass sie parallel zueinander angeordnet sind. Das Behältnis kann beispielsweise metallisch sein oder aus einem Kunststoff beziehungsweise Polymer bestehen (beispielsweise PE-Tütchen oder Polypropylen-Folien, kann aber insbesondere mindestens zwei durch einen nicht leitfähigen (Fest-)Elektrolyten mit niedriger relativer Permittivität ε₁ (beispielsweise PE-Wand des Tütchens) getrennte Kammern aufweisen, sodass jeweils eine Elektrode in einer Kammer platziert wird und die Kammern elektrisch voneinander isoliert sind. Die Außenwände des Gefäßes können (stellenweise) flexibel gewählt werden, damit die Elektroden für den Betrieb deformiert/komprimiert werden können und sich der flüssige Elektrolyt, der sich zunächst zwischen und in den Elektroden befindet, bei einer solchen Deformation/Kompression in den Raum, der nicht zwischen den Elektroden liegt, ausweichen kann. Des Weiteren kann das Gefäß Öffnungen aufweisen, durch die eine elektrische Kontaktierung der Elektroden, beispielsweise durch einen metallischen Draht möglich ist. Über diese Kontakte können sowohl Spannungsquellen, als auch Verbraucher angeschlossen werden.
In einer alternativen Ausführungsform wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabenstellung gelöst durch die Verwendung eines elastisch verformbares Aerogels als flexibles Elektrodenmaterial in einem elektrischen Kondensator mit variabler Kapazität.
In einer alternativen Ausführungsform wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabenstellung gelöst durch einen Gleichspannungswandler, umfassend einen erfindungsgemäßen Kondensator. Der erfindungsgemäße Gleichspannungswandler kann jeden der zuvor definierten erfindungsgemäßen Kondensatoren umfassen.
Gegenüber den nach dem Stand der Technik genutzten DC-DC-Wandlern, die aus Schaltungen mehrerer elektronischer Bauteile bestehen, handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Gleichspannungswandler insbesondere um ein einzelnes Bauteil, sodass die Komplexität des Wandlungssystems deutlich verringert wird. Der erfindungsgemäße Gleichspannungswandler basiert auf der Nutzung des erfindungsgemäßen Kondensators mit variabler Kapazität mit Aerogel-Elektroden als DC-Spannungs-Transformator. Der erfindungsgemäße Gleichspannungswandler eignet sich insbesondere in Kombination mit spannungserzeugenden Quellen, wie beispielsweise thermoelektrischen Generatoren oder Photovoltaik PV, in einer entsprechenden Schaltung. Aufgrund der hohen Leistungs- und Energiedichte des Kondensators sind derartige Schaltung besonders gut geeignet für Leistungsanwendungen.
So kann beispielsweise zur Verstärkung der in einer Spannungsquelle erzeugten elektrischen Spannung eine Kombination aus einer Diode und dem erfindungsgemäßen Kondensator als Verstärker genutzt werden. Somit ist diese Schaltung gegenüber den im dem Stand der Technik genutzten DC-DC-Wandlern und MPPT-Netzwerken, die aus Schaltungen mehrerer elektronischer Bauteile bestehen, deutlich einfacher in Bezug auf die Komplexität des Wandlungssystems und ist deutlich kostengünstiger fertigbar.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers wird eine MOSFET-Diode (Metall-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor), die nur eine geringe Reduktion einer angelegten Gleichspannung bewirkt, aber ansonsten als Richtungsschalter zwischen einer angeschlossenen Spannungsquelle und der nachfolgenden Schaltung wirkt, mit einem erfindungsgemäßen Kondensator verschaltet. Ein thermoelektrischer Generator (in Form eines Moduls) kann über die MOSFET-Diode mit dem erfindungsgemäßen Kondensator verschaltet werden (siehe 3).
Erzeugt der thermoelektrische Generator nun, wenn er von einem Wärmestrom durchflossen wird, (oder ein Solarmodul, das bestrahlt wird) eine elektrische Spannung auf einem niedrigen Spannungsniveau, lädt sich der Kondensator bis auf diese Spannung auf. Wird der Kondensator verformt oder komprimiert, kommt es zu einer Spannungserhöhung am Kondensator aufgrund der Verringerung seiner Kapazität. Die Diode verhindert, dass diese erhöhte Spannung auf die Quelle zurückwirken kann. Die erhöhte Spannung steht (gegebenenfalls über eine weitere Diode) nachgeschalteten Verbrauchern, Batterien, Kondensatorketten oder Netzwerken zur Verfügung. Bei Nutzung verringert sich die Spannung am Kondensator wieder. Erfolgt dann eine mechanische Expansion des Kondensators erhöht sich seine Kapazität wieder, sodass die dort anliegende Spannung unter den Wert der Quelle absinkt. Hierdurch schaltet die (erste) Diode wieder auf Durchgang und der Kondensator wird erneut von der Quelle geladen. Dieser Lade-Entlade-Zyklus kann beliebig oft wiederholt werden.
Der erfindungsgemäße Gleichspannungswandler kann insbesondere zur Abwärmenutzung, Restenergieerzeugung, Energieerzeugung, Aufwertung niedriger Spannungsniveaus, beispielsweise zum Laden von Batterien oder zum Betrieb von Verbrauchern eingesetzt werden.
Ausführungsbeispiele
Herstellung von Aerogel-Metall-Komposit

1. Vorbereitung von Nickel-Streifen Es werden etwa 8 bis 10 cm lange und 1 cm breite Nickel-Streifen ausgeschnitten, deren Oberfläche wird gelasert, um die Oberflächenrauigkeit zu erhöhen. Die Oberfläche wird Ethanol gereinigt und an der Luft bei Raumtemperatur getrocknet.
2. Sol-Gel Prozess In einem 180 mL Polypropylenbecher werden 10 g Resorcin in 195 mL entionisiertes Wasser bei Raumtemperatur gelöst. Nach 5 Minuten Rühren werden 14,7 g 37 % Formaldehyd-Lösung dazugegeben. Nach weiterem Rühren (5 Minuten) werden 0,193 g Natriumkarbonat in Festform zugegeben. Nachdem das Natriumkarbonat sich gelöst hat, wird mit 2N Salpetersäure der pH-Wert im Bereich von 5,40 bis 5,60 eingestellt. Die Lösung wird weitere 30 Minuten bei Raumtemperatur gerührt. Anschließend wird der Nickel-Streifen in die Lösung gelegt. Der Becher wird dicht verschlossen und zur Gelation in Ofen bei 60-80 °C für 7 Tage gestellt. Nach der Gelation wird Gel aus dem Becher herausgeholt und in ein ca. 300 mL Acetonbad gelegt, um die Porenflüssigkeit gegen Aceton auszutauschen. Der Lösungsmittelaustausch dauert 3 Tage bei Raumtemperatur, dabei wird Aceton 6-mal ausgetauscht.
3. Trocknung und Carbonisierung
- 3.1. Das Gel wird in einem Autoklaven im überkritischen Kohlenstoffdioxid bei 50-60 °C und 80-100 bar getrocknet. Anschließend wird das Aerogel-Nickel-Komposit in einem Pyrolyseofen carbonisiert. Die Carbonisierung findet in einer Argonatmosphäre bei 1000 °C statt. Die Aufheizrate beträgt 400 K/Min, die Carbonisierungsdauer 60 Minuten.
4. Vorbereitung der Elektrode Die Aerogelschicht an dem Nickel-Streifen wird mit Hilfe von Skalpell auf etwa 100-200 µm reduziert ( ). Die Elektrode wird in einem Polyethylen-Gefäß platziert. Das Gefäß wird mit dem Elektrolyten gefüllt und getestet ( ).

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2015/089491 A1 [0011]
US 2007248799 A1 [0012]
DE 102012218548 A1 [0040, 0042]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Park et al. (D.-W. Park et al., Current Applied Physics 2016, 16, 658-664) [0013]

Claims

Elektrischer Kondensator mit variabler Kapazität umfassend mindestens zwei Elektroden und ein Dielektrikum, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Elektrode(n), insbesondere zwei Elektroden, ein elastisch verformbares Aerogel umfasst/umfassen.
Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum einen Festelektrolyten mit einer ersten relativen Permittivität ε₁ als Separator zwischen mindestens zwei Elektroden und einen flüssigen Elektrolyten mit einer zweiten relativen Permittivität ε₂ umfasst, wobei der flüssige Elektrolyt mit mindestens einer der Elektroden in Kontakt steht und wenigstens teilweise in einen Porenraum des elastisch verformbaren Aerogels eindringt, und wobei die erste relative Permittivität ε₁ insbesondere geringer ist als die zweite relative Permittivität ε₂.
Kondensator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität des Kondensators variiert werden kann, indem durch Kompression des elastisch verformbaren Aerogels ein Teil des flüssigen Elektrolyten aus dem Raum zwischen den Elektroden verdrängt wird und/oder durch Expansion des elastisch verformbaren Aerogels ein Teil des flüssigen Elektrolyten in den Raum zwischen den Elektroden eindringt.
Kondensator nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das die Differenz zwischen der ersten relativen Permittivität ε₁ und der zweiten relativen Permittivität ε₂ in einem Bereich von 40 F/m bis 87 F/m, insbesondere von 70 F/m bis 87 F/m, liegt.
Kondensator nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Festelektrolyt ausgewählt ist aus Polyethylen, Polycarbonat oder einer Kombination dieser Materialien.
Kondensator nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der flüssige Elektrolyt ausgewählt ist aus Glycerin, Methanol, destilliertem Wasser, ET₄NBF₄/PC, oder organischen, Ester haltigen Elektrolyten wie Ethylencarbonat oder Propylencarbonat oder deren Mischungen.
Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem elastisch verformbaren Aerogel um ein elastisch verformbares Kohlenstoffaerogel und/oder um ein metallisiertes elastisch verformbares Aerogel handelt.
Kondensator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das elastisch verformbare Kohlenstoffaerogel erhältlich ist durch Pyrolyse eines elastisch verformbaren organischen Aerogels mit einem Verfahren umfassend die folgenden Schritte: a) Ansetzen einer Lösung enthaltend destilliertes Wasser, Resorcin, Formaldehyd und eine Base, insbesondere Natriumcarbonat, wobei Formaldehyd in Bezug auf Resorcin im stöchiometrischen Überschuss vorliegt und das Stoffmengenverhältnis von Resorcin und Wasser in einem Bereich von 0,006 bis 0,01 liegt; b) Einstellen des pH-Wertes der Lösung auf einen Bereich von 5,3 bis 5,6; c) Gelation bei einer Temperatur von 70 bis 90 °C; d) Abkühlen des Gels auf Raumtemperatur und Waschen mit einem aprotischen, organischen Lösungsmittel; e) Trocknen des Gels bei einer gegenüber Raumtemperatur erhöhten Temperatur; f) Pyrolyse des Gels, insbesondere bei einer Temperatur in einem Bereich von 900 bis 1000°C in einer Inertgasatmosphäre.
Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Elektrode ein monolithisches elastisch verformbares Aerogel und/oder ein flexibles Aerogel auf einem starren oder flexiblen Substrat umfasst, insbesondere aus den genannten Materialien besteht.
Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Elektrode erhältlich ist mit einem Verfahren umfassend die folgenden Schritte: a) Ansetzen einer Lösung enthaltend destilliertes Wasser, Resorcin, Formaldehyd und eine Base, insbesondere Natriumcarbonat, wobei Formaldehyd in Bezug auf Resorcin im stöchiometrischen Überschuss vorliegt und das Stoffmengenverhältnis von Resorcin und Wasser in einem Bereich von 0,006 bis 0,01 liegt; b) Einstellen des pH-Wertes der Lösung auf einen Bereich von 5,3 bis 5,6; c) Gelation bei einer Temperatur von 70 bis 90 °C; d) Bereitstellen eines Substrats mit einem Schmelzpunkt von mehr als 1000°C; e) Aufbringen der gelierenden Resorcin-Formaldehyd-Lösung auf das Substrat; f) Abkühlen des Gels auf Raumtemperatur und Waschen mit einem aprotischen, organischen Lösungsmittel; g) Trocknen des Gels bei einer gegenüber Raumtemperatur erhöhten Temperatur; h) Pyrolyse des Gels, insbesondere bei einer Temperatur in einem Bereich von 900 bis 1000°C in einer Inertgasatmosphäre.
Verfahren zur Herstellung eines Kondensators nach einem der Ansprüche 1 bis 10, umfassend die folgenden Schritte: a) Bereitstellen einer ersten Elektrode umfassend ein elastisch verformbares Aerogel, insbesondere ein elastisch verformbares Kohlenstoffaerogel wie in Anspruch 8 definiert; b) Infiltrieren des elastisch verformbaren Aerogels mit einem flüssigen Elektrolyten; c) Bereitstellen eines Behälters mit einer ersten Kammer, wobei die erste Kammer mit dem flüssigen Elektrolyten gefüllt ist und wenigstens teilweise mit einem Festelektrolyten von der Umgebung getrennt ist; d) Einbringen der Elektrode in die erste Kammer des Behälters; e) Bereitstellen wenigstens einer weiteren Elektrode, wobei die wenigstens eine weitere Elektrode durch den Festelektrolyten von der ersten Kammer mit der ersten Elektrode getrennt ist.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine weitere Elektrode bereitgestellt wird, indem eine zweite Elektrode umfassend ein elastisch verformbares Aerogel, das mit flüssigem Elektrolyten infiltriert ist, in eine zweite Kammer des Behälters eingebracht wird, wobei die zweite Kammer mit flüssigem Elektrolyten gefüllt ist und über den Festelektrolyten mit der ersten Kammer verbunden ist.
Verwendung eines elastisch verformbares Aerogel als flexibles Elektrodenmaterial in einem elektrischen Kondensator mit variabler Kapazität.
Gleichspannungswandler, umfassend einen Kondensator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10.