DE102019220214A1 - Elektrischer Leiter aus Graphen oder Kohlenstoffnanoröhren mit Isolierung - Google Patents

Elektrischer Leiter aus Graphen oder Kohlenstoffnanoröhren mit Isolierung Download PDF

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DE102019220214A1
DE102019220214A1 DE102019220214.4A DE102019220214A DE102019220214A1 DE 102019220214 A1 DE102019220214 A1 DE 102019220214A1 DE 102019220214 A DE102019220214 A DE 102019220214A DE 102019220214 A1 DE102019220214 A1 DE 102019220214A1
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Leo Rizzi
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01BCABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B1/00Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
    • H01B1/14Conductive material dispersed in non-conductive inorganic material
    • H01B1/18Conductive material dispersed in non-conductive inorganic material the conductive material comprising carbon-silicon compounds, carbon or silicon
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    • H01B1/04Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of carbon-silicon compounds, carbon or silicon

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrisch isolierten Graphenleiter (1), insbesondere Graphenfaser, Graphenband oder Gaphenfilm, aufweisend einen zwischen zwei Enden des Graphenleiters (1) durchgängigen elektrisch leitfähigen Leitungspfad (2) aus Graphen oder Kohlenstoffnanoröhren, insbesondere ein Leitungsband oder ein Leitungsfilm, sowie eine den Leitungspfad (2) elektrisch isolierende, mit dem Leitungspfad (2) durch atomare oder molekulare bzw. zwischenmolekulare Kräfte verbundene Isolation (3) aus Bornitrid, dadurch gekennzeichnet, dassim Graphenleiter (1) zwischen dem Leitungspfad (2) und der Isolation (3) ein Übergangsbereich (4) gebildet ist, in dem Graphen bzw. Kohlenstoffnanoröhren und Bornitrid gemeinsam und in gemischter Anordnung vorliegen.

Description

  • Stand der Technik
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrisch isolierten Graphenleiter. Außerdem betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren zum Herstellen solcher elektrischer Graphenleiter.
  • Alternative elektrische Leiterwerkstoffe basieren auf Kohlenstoffnanoröhren und/oder Graphenplättchen. Die elektrische Leitfähigkeit von Kohlenstoffnanoröhren und Graphenplättchen übertrifft die Leitfähigkeit von Kupfer. Jedoch sind die auf den molekularen Bausteinen (Kohlenstoffnanoröhren und Graphenplättchen) basierenden makroskopischen Leiterwerkstoffe Kupfer und Aluminium hinsichtlich der elektrischen Leitfähigkeit noch unterlegen und kommen daher bisher nicht zur Anwendung.
  • Nach Stand der Technik werden Graphenfilme oder Kohlennanoröhrenfilme als Leiterwerkstoff durch verschiedene Methoden hergestellt.
  • In WO 2007/015710 A2 wird die Herstellung von CNT-Bändern aus sogenannten CNT-Wäldern gezeigt. Die Bänder sind elektrisch leitfähig und zeichnen sich durch hohe Bruchdehnung und hohe Zugfestigkeit aus. Ein alternatives Herstellverfahren für CNT-Bänder wird in US8999285B2 beschrieben. Hier erfolgt die Herstellung durch die Synthese eines CNT-Aerogels. Dieses wird bei Verlassen des Reaktors zu einem Band verarbeitet. Ein weiteres Herstellverfahren für Bänder auf Basis von Kohlenstoffnanoröhrchen wird in WO 2013/034672 offenbart. Dabei werden die Kohlenstoffnanoröhrchen in einer Supersäure dispergiert und anschließend durch Nassspinnen zu Fasern oder auch zu Bändern verarbeitet.
  • Startpunkt ist bei kommerziell interessanten Herstellvarianten für die Herstellung von Graphenfasern immer Graphit. In CN108892134A wird Graphitpulver mittels der sogenannten Hummers-Methode nasschemisch interkaliert und zu Graphenoxid oxidiert. Die gereinigte Graphenoxiddispersion wird dann zu einem Film verarbeitet und anschließend durch Wärmebehandlung zu einem Graphenfilm reduziert.
  • In CN107221387A erfolgt die Herstellung des Graphenfilms direkt aus einer wässrigen Dispersion heraus. In DE102018200236A1 wird gezeigt, dass die Dotierung mit Metallen bereits bei der Herstellung der Graphenoxiddispersion erfolgen kann. Nach dem Auftragen des Graphenfilms auf ein Substrat und dem Trockenen erfolgt in einem weiteren Schritt die Entfernung des Dispersionsmittels, das als oberflächenaktive Substanz die wässrige Dispersion ermöglichte.
  • Die Herstellung von Fasern aus Graphen ist in US 8,999,212 B2 offenbart. Dabei wird Graphen durch einseitiges axiales Auftrennen von Kohlenstoffnanoröhrchen gewonnen. Danach wird das Graphen in einer Supersäure dispergiert und anschließend mittels Nasspinnen zu Fasern verarbeitet.
  • Besonders bevorzugt für die Herstellung von Graphenfasern ist die Herstellung aus Graphenoxid, das aus Graphit durch nasschemische Oxidation hergestellt wird. Da dieser Herstellweg Graphit als Rohstoff verwendet, sind die Rohstoffkosten im Vergleich zum dem oben genannten Verfahren 1-2 Größenordnungen niedriger. Solche Herstellverfahren werden in CN105603581A , CN105544016A und CN105544017A offenbart. Am Ende des Herstellprozesses ist für die Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit eine thermische Behandlung bei Temperaturen bis 3000°C notwendig. Dabei werden Defekte im Graphen, die aus der Vorstufe Graphenoxid stammen, ausgeheilt. Daran schließt sich eine weitere Behandlung an, um die Graphenfaser zu dotieren. Diese Behandlung kann thermisch sein, um Kalium über die Gasphase in die Graphenfaser diffundieren zu lassen. Oder wie im Falle von Brom, durch Eintauchen der Graphenfaser in Brom durchgeführt werden.
  • Die elektrische Isolation von Graphenfilmen kann auch, wie in WO18177767 A1 beschrieben, durch Fluorierung der Randschicht erfolgen. Dadurch verwandelt sich diese in einen Isolator und schirmt den Film elektrisch ab.
  • Darüber hinaus ist auch die elektrische Isolation durch Polymerauftrag möglich wie dies in WO13051761A1 dargestellt ist. Eine elektrische Isolation mit Bornitrid wird in KR20180091608A durch eine Schicht Bornitrid als Unterlage und eine weitere Schicht Bornitrid als Auflage realisiert.
  • Verwendet werden solche elektrischen Leiter in elektrischen Motoren wie in WO18233897 A1 oder WO18158003 A1 dargestellt.
  • Prinzipiell lassen sich die genannten Herstellmethoden auch auf die Herstellung von Filmen und Fasern aus Kohlenstoffnanoröhrchen übertragen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die Erfindung ermöglicht eine bessere Verbindung zwischen dem auf Kohlenstoffnanoröhren oder Graphen basierenden Leiterwerkstoff und einem Isolator. Dies wird durch einen Übergangsbereich zwischen den beiden Materialien erreicht. Der Leiterwerkstoff und der Isolator sind durch den fließenden Übergang im Übergangsbereich aneinander angepasst um die Wärmeleitung zu optimieren und eine stoffschlüssige Verbindung im Sinne zweier sich gegenseitig durchdringenden Stoffe herzustellen.
  • Der erfindungsgemäße elektrisch isolierte Graphenleiter weist einen elektrisch leitfähigen Leitungspfad und eine elektrisch isolierende Isolation auf. Bei dem Graphenleiter handelt es sich bevorzugt um eine Graphenfaser, um ein Graphenband oder um einen Graphenfilm. Der Leitungspfad verläuft zwischen zwei Enden des Graphenleiters. Dabei ist vorgesehen, dass der Leitungspfad aus Graphen und/oder Kohlenstoffnanoröhren gebildet ist. Besonders vorteilhaft ist der Leitungspfad als Leitungsband oder Leitungsfilm gebildet. Die Isolierung ist mit dem Leitungspfad durch atomare oder molekulare bzw. zwischenmolekulare Kräfte mit dem Leitungspfad verbunden. Dabei ist die Isolierung aus Bornitrid, insbesondere aus hexagonalem Bornitrid, gebildet. Dadurch ist eine besonders gute Wärmekopplung zwischen elektrisch leitfähigem Leitungspfad und elektrisch isolierendem Isolation vorhanden. Die besonders gute Wärmekopplung von Graphen bzw. Kohlenstoffnanoröhren und Bornitrid auf atomarer Ebene entsteht dadurch, dass die Gitterabstände beider Materialien nahezu identisch sind und der Wärmetransport durch Phononen beim Übergang Graphen/Bornitrid weniger gestört wird als es bei anderen Materialien der Fall ist. Selbiges gilt auch für die Verwendung von Kohlenstoffnanoröhren.
  • Außerdem ist ein Übergangsbereich im Graphenleiter zwischen dem Leitungspfad und der Isolation gebildet. In dem Übergangsbereich liegen Graphen bzw. Kohlenstoffnanoröhren und Bornitrid gemeinsam und in gemischter Anordnung vor. Insbesondere ist somit eine gegenseitige Durchdringung des Leitungspfads und der Isolation vorhanden. Dies ermöglicht einen optimierten Wärmetransport zwischen Leitungspfad und Isolation und eine stoffschlüssige Verbindung.
  • Besonders vorteilhaft ist der Übergangsbereich als Festkörper ausgebildet, indem die Bornitrid-Moleküle im Übergangsbereich durch Van-der-Waals-Kräfte an dem Graphen bzw. den Kohlenstoffnanoröhren gehalten sind.
  • Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
  • Vorteilhafterweise nimmt die Bornitrid-Konzentration im Übergangsbereich mit zunehmendem Abstand von der Isolation ab. Dadurch ist ein Konzentrationsgradient ausgebildet. Der Konzentrationsgradient sorgt somit insbesondere für einen fließenden Übergang zwischen Leitungspfad und Isolation.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung erstreckt sich der Konzentrationsgradient in einer Filmdickenrichtung, wobei der elektrisch leitfähige Leitungspfad, die elektrisch isolierende Isolation und der Übergangsbereich als Film ausgebildet sind. Dadurch sind der elektrisch leitfähige Leitungspfad, die elektrisch isolierende Isolation und der Übergangsbereich in Schichtdickenrichtung übereinander angeordnet.
  • In einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung erstreckt sich der Konzentrationsgradient in einer Richtung senkrecht zu der Filmdickenrichtung, wobei der elektrisch leitfähige Leitungspfad, die elektrisch isolierende Isolation und der Übergangsbereich als Film ausgebildet sind. Dadurch sind der elektrisch leitfähige Leitungspfad, die elektrisch isolierende Isolation und der Übergangsbereich senkrecht zur Filmdickenrichtung nebeneinander angeordnet.
  • Besonders vorteilhaft ist, wenn in der Zone des Konzentrationsgradienten starke Konzentrationsschwankungen im Bereich von 1 - 100 nm vorliegen. Dadurch kommt es zu einem gegenseiteigen durchdringenden der Phase des Leitungspfads und der Phase des Bornitrids.
  • Der Übergangsbereich ist vorteilhafterweise entlang der Längserstreckung des Graphenleiters mit konstanter oder variierender Dicke ausgebildet. Insbesondere ist durch die Dicke des Übergangsbereichs eine Wärmeleitung zwischen Leitungspfad und Isolation optimiert.
  • Die Isolation ist bevorzugt schichtförmig oder mantelförmig auf dem Leitungspfad aufgebracht. Somit lässt sich der Leitungspfad insbesondere vollständig von der Isolation elektrisch isolieren. Damit sind unerwünschte elektrische Kontakte, insbesondere Kurzschlüsse, vermieden.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin eine elektrische Maschine. Die elektrische Maschine weist eine Wicklung auf, die aus einem Graphenleiter wie zuvor beschrieben gebildet ist. Damit weist die elektrische Maschine insbesondere eine hohe Leistungsdichte auf.
  • Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Graphenleiters wie zuvor beschrieben. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Zunächst erfolgt ein Bereitstellen eines saugfähigen Basiselements. Das saugfähige Basiselement weist eine sich zwischen einem ersten Ende und einem zweiten Ende erstreckenden Oberfläche auf, wobei auf diese Oberfläche der Graphenleiter aufzubringen ist. Dazu werden das Graphen bzw. die Kohlenstoffnanoröhren und das Bornitrid mittels Dispersionen auf das Basiselement aufgebracht. Dies erfolgt durch Aufbringen einer das as Graphen bzw. die Kohlenstoffnanoröhren aufweisenden ersten Dispersion auf die Oberfläche des Basiselements und durch Aufbringen einer das Bornitrid aufweisenden zweiten Dispersion auf die Oberfläche des Basiselements. Die erste Dispersion wird zwischen dem ersten Ende und der zweiten Dispersion aufgebracht. Außerdem ist ein aufgebrachtes Volumen von der ersten Dispersion höher oder gleich hoch wie das aufgebrachte Volumen der zweiten Dispersion. Anschließend erfolgt ein gerichtetes Verteilen der ersten Dispersion und der zweiten Dispersion durch zumindest eine Bewegung mindestens einer Kante eines Werkzeugs, insbesondere eines Spachtels, von dem zweiten Ende zu dem ersten Ende. Ein solches gerichtetes Verteilen führt dazu, dass sich ein Übergangsbereich einstellt. Durch die Wahl der Position, an der die erste Dispersion aufgebracht wird lässt sich der Beginn des Übergangsbereichs festlegen. Durch das aufgebrachte Volumen an zweiter Dispersion kann eine Länge des Übergangsbereichs festgelegt werden. Somit ist der elektrische Graphenleiter flexibel und zuverlässig herstellbar.
  • Besonders vorteilhaft wird die zweite Dispersion unmittelbar an dem zweiten Ende auf die Oberfläche aufgebracht. Somit kann insbesondere die gesamte Abmessung zwischen erstem Ende und zweitem Ende für die Herstellung des elektrischen Graphenleiters verwendet werden.
  • Die Erfindung betrifft ein weiteres Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Graphenleiters wie zuvor beschrieben. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Zunächst erfolgt ein Bereitstellen eines saugfähigen Basiselements. Das saugfähige Basiselement weist eine sich zwischen einem ersten Ende und einem zweiten Ende erstreckenden Oberfläche auf, wobei auf diese Oberfläche der Graphenleiter aufzubringen ist. Dazu werden das Graphen bzw. die Kohlenstoffnanoröhren und das Bornitrid mittels Dispersionen auf das Basiselement aufgebracht. Dies erfolgt zunächst durch ein Aufbringen einer das Graphen bzw. die Kohlenstoffnanoröhren aufweisenden ersten Dispersion auf die Oberfläche und anschließend ein Aufbringen einer das Bornitrid aufweisenden zweiten Dispersion auf die erste Dispersion. Schließlich erfolgt ein gerichtetes Verteilen der ersten Dispersion und der zweiten Dispersion entlang des Basiselements (5). Dadurch wird der Übergangsbereich in einer Filmdickenrichtung ausgebildet. Das Volumen an aufgebrachter erster Dispersion und zweiter Dispersion ist bevorzugt identisch.
  • Die Erfindung betrifft ein nochmals weiteres Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Graphenleiters wie zuvor beschrieben. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Zunächst erfolgt ein Bereitstellen eines saugfähigen Basiselements. Das saugfähige Basiselement weist eine sich zwischen einem ersten Ende und einem zweiten Ende erstreckenden Oberfläche auf, wobei auf diese Oberfläche der Graphenleiter aufzubringen ist. Anschließend werden das Graphen bzw. die Kohlenstoffnanoröhren und das Bornitrid mittels Dispersionen auf das Basiselement aufgebracht und jeweils unmittelbar nach dem Aufbringen gerichtet verteilt. Dies bedeutet, dass zunächst ein Aufbringen einer das Graphen bzw. die Kohlenstoffnanoröhren aufweisenden ersten Dispersion auf die Oberfläche und ein darauffolgendes gerichtetes Verteilen der ersten Dispersion entlang des Basiselements erfolgt. Anschließend erfolgt ein Aufbringen einer das Bornitrid aufweisenden zweiten Dispersion auf die noch nicht getrocknete erste Dispersion und darauffolgend ein gerichtetes Verteilen der zweiten Dispersion entlang des Basiselements. Somit ist die zweite Dispersion insbesondere unmittelbar auf das gerichtete Verteilen der ersten Dispersion aufzubringen, um zu verhindern, dass die erste Dispersion trocknet.
  • Bevorzugt werden die erste Dispersion und die zweite Dispersion unmittelbar an dem ersten Ende oder an dem zweiten Ende aufgebracht. Somit kann insbesondere die gesamte Abmessung zwischen erstem Ende und zweitem Ende für die Herstellung des elektrischen Graphenleiters verwendet werden.
  • Bevorzugt handelt es sich bei dem gerichteten Verteilen um ein Rakeln. Das Rakeln wird insbesondere mittels einer Rakel durchgeführt. Somit lässt sich der Übergangsbereich zuverlässig ausbilden.
  • Besonders bevorzugt ist es die Vorrichtung, die zum gerichteten Verteilen genutzt wird, so gestaltet, dass die Bildung eines Konzentrationsgradienten gefördert wird. Dazu kann die Vorrichtung mit Schwingungen beaufschlagt werden. Die verwendete Frequenz liegt dabei im Bereich von 1 Hz - 50 kHz. Eine weitere Möglichkeit ist die Seite der Vorrichtung, die in Kontakt mit der Dispersion steht mit einer Oberflächenstruktur zu versehen. Besonders bevorzugt ist eine Oberflächenstruktur ähnlich der Oberfläche eines Golfballs.
  • Die Arbeitsweise kann diskontinuierlich oder auch kontinuierliche erfolgen. Dabei liegt das saugfähige Basiselement zum Beispiel als sehr langes geschlossenes Band vor. Die Beschichtung erfolgt dann über die kontinuierliche Zufuhr der Dispersion auf das Band, das mit den Dispersionen beladen kontinuierlich unter einer Rakel durchgezogen wird. Nach der anschließenden Trocknung, beispielsweise in einem Durchgangsofen, wird der Film, der ganz oder überwiegend aus Graphen und/oder Kohlenstoffnanoröhren und Bornitrid besteht, kontinuierlich abgezogen und auf eine Spule gewickelt. Das Band wird dann kontinuierlich zurücktransportiert und erneut mit den Dispersionen beschichtet.
  • Figurenliste
  • Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
    • 1 eine schematische Abbildung eines Herstellungsverfahrens eines Graphenleiters gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
    • 2 eine schematische Draufsicht auf den Graphenleiter gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
    • 3 eine schematische Seitenansicht auf den Graphenleiter gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
    • 4 eine schematische Abbildung eines Herstellungsverfahrens eines Graphenleiters gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
    • 5 eine schematische Draufsicht auf den Graphenleiter gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
    • 6 eine schematische Seitenansicht auf den Graphenleiter gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
    • 7 eine schematische Abbildung einer Vorrichtung zum Herstellen der Graphenleiter gemäß den Ausführungsbeispielen der Erfindung.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • 1 zeigt schematisch ein Herstellungsverfahren eines elektrisch isolierten Graphenleiters 1 (vgl. 2 und 3) gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Zum Herstellen des Graphenleiters 1 ist ein saugfähiges Basiselement 5 vorgesehen. Das Basiselement 5 weist eine Oberfläche 8 mit einem ersten Ende 6 und einem gegenüberliegenden zweiten Ende 7 auf. Das saugfähige Basiselement 8 befindet sich in einer Haltevorrichtung 11, die das Basiselement 8 mit einem Rand 12 begrenzt. Auf die Oberfläche 8 lässt sich eine erste Dispersion 9 und eine zweite Dispersion 10 aufbringen, wobei die erste Dispersion 9 Graphen bzw. Kohlenstoffnanoröhren und die zweite Dispersion, insbesondere hexagonales, Bornitrid aufweist
  • Die zweite Dispersion 10 wird unmittelbar an dem zweiten Ende 7 auf die Oberfläche 8 aufgebracht. Die erste Dispersion 9 wird zwischen der zweiten Dispersion 10 und dem ersten Ende 6 auf die Oberfläche 8 aufgebracht. Dabei stellt die Stelle, an der die erste Dispersion 9 aufgebracht wird, einen Anfangspunkt eines Übergangsbereichs 4 des elektrischen Graphenleiters 1 dar. Die aufgebrachten Dispersionen 9, 10 sind in 1 schematisch dargestellt.
  • Nach dem Aufbringen von erster Dispersion 9 und zweiter Dispersion 10 wird mittels einer Rakel 13 von dem zweiten Ende 7 zu dem ersten Ende 6 gerakelt. In 7 ist beispielhaft eine hierzu geeignete Vorrichtung gezeigt. Das Rakel 13 ist besonders bevorzugt so gestaltet, dass es durch den Rand 12 geführt wird. Im Bereich zwischen den Rändern 12 besitzt das Rakel 13 einen Bereich 14, der so weit in die Haltevorrichtung 11 hineinragt, dass ein definierter Spalt 15 zwischen dem Bereich des Rakels 13 und dem in die Haltevorrichtung 11 eingelegten saugfähigen Basiselement 8 verbleibt. Dadurch wird zunächst die zweite Dispersion 10 auf der Oberfläche 8 gerichtet verteilt, bis die erste Dispersion 9 mit der Rakel 13 erreicht wird. Ab dieser Stelle wird der Übergangsbereich 4 erstellt, bei dem sowohl das Graphen bzw. die Kohlenstoffnanoröhren als auch das Bornitrid vorhanden ist. Das aufgebrachte Volumen von erster Dispersion 9 ist mindestens so groß wie das aufgebrachte Volumen von zweiter Dispersion 10. Dadurch sinkt die Konzentration der zweiten Dispersion mit zunehmender Entfernung vom zweiten Ende 7 ab. Somit wird im Bereich des ersten Endes 6 lediglich die erste Dispersion 9 verteilt.
  • Durch einen derartigen Vorgang wird somit ein elektrisch leitfähiger Leitungspfad 2, eine elektrisch isolierende Isolation 3 und ein dazwischenliegender Übergangsbereich 4 geschaffen. Der Leitungspfad 2, die Isolierung 3 und der Übergangsbereich 4 sind in den 2 und 3 gezeigt. Die 2 und 3 zeigen eine schematische Ansicht des elektrischen Graphenleiters 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung in unterschiedlichen Ansichten. Dabei ist die Ansicht in 2 die gleiche Ansicht wie in 1. In 2 ist der Übergangsbereich 4 vereinfacht dargestellt und weist insbesondere einen kontinuierlichen Übergang von elektrisch leitfähigem Leitungspfad 2 und elektrisch isolierender Isolation 3 auf.
  • In dem Übergangsbereich 4 liegt ein Konzentrationsgradient von Graphen bzw. die Kohlenstoffnanoröhren und Bornitrid vor, während in dem elektrisch leitfähigen Leitungspfad 2 nur das Graphen bzw. die Kohlenstoffnanoröhren und in der elektrisch isolierenden Isolation 3 nur das Bornitrid vorhanden ist. Der Leitungspfad 2, die Isolierung 3 und der Übergangsbereich 4 sind in einer Richtung x senkrecht zu einer Filmdickenrichtung z nebeneinander angeordnet. Durch den Konzentrationsgradienten ist insbesondere sowohl eine optimale Wärmekopplung der beiden Materialien als auch eine stoffschlüssige Verbindung erreicht.
  • 4 zeigt schematisch ein Herstellungsverfahren eines elektrischen Graphenleiters 1 (vgl. 5 und 6) gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei werden dasselbe Basiselement 5 und dieselben Dispersionen 9, 10 und dieselbe Haltevorrichtung 11 verwendet wie im ersten Ausführungsbeispiel.
  • Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel wird die erste Dispersion 9 direkt an dem zweiten Ende 7 auf die Oberfläche 8 und die zweite Dispersion 10 auf die ersten Dispersion 9 aufgebracht. Anschließend erfolgt wiederum ein Rakeln mittels einer Rakel, deren besonders bevorzugter Aufbau bereits im ersten Ausführungsbeispiel beschrieben ist, von dem zweiten Ende 7 zu dem ersten Ende 6. Dadurch wird ein schichtweiser Aufbau erreicht, wobei jede Dispersion 9, 10 über den gesamten Bereich zwischen erstem Ende 6 und zweitem Ende 7 vorhanden ist. Es entsteht somit wiederum ein elektrisch leitfähiger Leitungspfad 2, wobei auf dem elektrisch leitfähigen Leitungspfad 2 der Übergangsbereich 4 und auf dem Übergangsbereich 4 der elektrisch isolierende Bereich 3 vorhanden ist (vgl. 5 und 6).
  • Die 5 und 6 zeigen eine schematische Ansicht des elektrischen Graphenleiters 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung in unterschiedlichen Ansichten. Dabei ist die Ansicht in 5 die gleiche Ansicht wie in 4. In dem zweiten Ausführungsbeispiel sind der elektrisch leitfähige Leitungspfad 2, der elektrisch isolierende Bereich 3 und der Übergangsbereich in der Filmdickenrichtung z übereinander angeordnet. Wiederum erreicht diese Anordnung eine optimale Wärmekopplung von Graphen bzw. Kohlenstoffnanoröhren und Bornitrid.
  • In einer alternativen Ausgestaltung des zweiten Ausführungsbeispiels kann anstatt des gemeinsamen Rakelns von erster Dispersion 9 und zweiter Dispersion 10 auch jeweils ein eigener Rakel-Schritt nach dem Aufbringen der ersten Dispersion 9 und dem Aufbringen der zweiten Dispersion 10 erfolgen. Dabei ist allerdings vorgesehen, dass das Aufbringen der zweiten Dispersion 10 vor dem Trocknen der ersten Dispersion 9 erfolgt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2007/015710 A2 [0004]
    • US 8999285 B2 [0004]
    • WO 2013/034672 [0004]
    • CN 108892134 A [0005]
    • CN 107221387 A [0006]
    • DE 102018200236 A1 [0006]
    • US 8999212 B2 [0007]
    • CN 105603581 A [0008]
    • CN 105544016 A [0008]
    • CN 105544017 A [0008]
    • WO 18177767 A1 [0009]
    • WO 13051761 A1 [0010]
    • KR 20180091608 A [0010]
    • WO 18233897 A1 [0011]
    • WO 18158003 A1 [0011]

Claims (14)

  1. Elektrisch isolierter Graphenleiter (1), insbesondere Graphenfaser, Graphenband oder Gaphenfilm, aufweisend einen zwischen zwei Enden des Graphenleiters (1) durchgängigen elektrisch leitfähigen Leitungspfad (2) aus Graphen oder Kohlenstoffnanoröhren, insbesondere ein Leitungsband oder ein Leitungsfilm, sowie eine den Leitungspfad (2) elektrisch isolierende, mit dem Leitungspfad (2) durch atomare oder molekulare bzw. zwischenmolekulare Kräfte verbundene Isolation (3) aus Bornitrid, dadurch gekennzeichnet, dass im Graphenleiter (1) zwischen dem Leitungspfad (2) und der Isolation (3) ein Übergangsbereich (4) gebildet ist, in dem Graphen bzw. Kohlenstoffnanoröhren und Bornitrid gemeinsam und in gemischter Anordnung vorliegen.
  2. Elektrisch isolierter Graphenleiter (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bornitrid-Konzentration im Übergangsbereich (4) mit zunehmendem Abstand von der Isolation (3) abnimmt, sodass ein Konzentrationsgradient ausgebildet ist.
  3. Elektrisch isolierter Graphenleiter (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch leitfähige Leitungspfad (2), die elektrisch isolierende Isolation (3) und der Übergangsbereich (4) als Film ausgebildet sind und in Filmdickenrichtung (z) übereinander angeordnet sind, sodass sich der Konzentrationsgradient in Filmdickenrichtung (z) erstreckt.
  4. Elektrisch isolierter Graphenleiter (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch leitfähige Leitungspfad (2), der elektrisch isolierende Isolation (3) und der Übergangsbereich (4) als Film ausgebildet sind und senkrecht zur Filmdickenrichtung (z) nebeneinander angeordnet sind, sodass sich der Konzentrationsgradient in einer Richtung senkrecht zu der Filmdickenrichtung (z) erstreckt.
  5. Elektrisch isolierter Graphenleiter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergangsbereich (4) entlang der Längserstreckung des Graphenleiters (1) mit konstanter oder variierender Dicke ausgebildet ist.
  6. Elektrisch isolierter Graphenleiter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolation (3) schichtförmig oder mantelförmig auf dem Leitungspfad (2) aufgebracht ist.
  7. Elektrische Maschine mit einer elektrischen Wicklung, die einen Graphenleiter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.
  8. Verfahren zum Herstellen eines elektrisch isolierten Graphenleiters (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: • Bereitstellen eines saugfähigen Basiselements (5) mit einer sich zwischen einem ersten Ende (6) und einem zweiten Ende (7) erstreckenden Oberfläche (8), auf der der Graphenleiter (1) aufzubringen ist, • Aufbringen einer das Graphen bzw. Kohlenstoffnanoröhren aufweisenden ersten Dispersion (9) auf die Oberfläche (8), • Aufbringen einer Bornitrid aufweisenden zweiten Dispersion (10) auf die Oberfläche (8), • wobei die erste Dispersion (9) zwischen dem ersten Ende (6) und der Aufbringungsstelle der zweiten Dispersion (10) aufgebracht wird und ein aufgebrachtes Volumen an erster Dispersion (9) höher als oder gleich wie ein aufgebrachtes Volumen von zweiter Dispersion (10) ist, und • Gerichtetes Verteilen der ersten Dispersion (9) und der zweiten Dispersion (10) entlang des Basiselements (5) von dem zweiten Ende (7) zu dem ersten Ende (6), insbesondere durch zumindest eine Spachtelbewegung oder durch ein Rakeln.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Dispersion (9) unmittelbar an dem zweiten Ende (7) auf die Oberfläche (8) aufgebracht wird.
  10. Verfahren zum Herstellen eines elektrisch isolierten Graphenleiters (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: • Bereitstellen eines saugfähigen Basiselements (5) mit einer sich zwischen einem ersten Ende (6) und einem zweiten Ende (7) erstreckenden Oberfläche (8), auf der der Graphenleiter (1) aufzubringen ist, • Aufbringen einer Graphen bzw. Kohlenstoffnanoröhren aufweisenden ersten Dispersion (9) auf die Oberfläche (8), • Aufbringen einer Bornitrid aufweisenden zweiten Dispersion (10) auf die erste Dispersion (9), und • Gerichtetes Verteilen der ersten Dispersion (9) und der zweiten Dispersion (10) entlang des Basiselements (5).
  11. Verfahren zum Herstellen eines elektrisch isolierten Graphenleiters (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: • Bereitstellen eines saugfähigen Basiselements (5) mit einer sich zwischen einem ersten Ende (6) und einem zweiten Ende (7) erstreckenden Oberfläche (8), auf der der Graphenleiter (1) aufzubringen ist, • Aufbringen einer Graphen bzw. Kohlenstoffnanoröhren aufweisenden ersten Dispersion (9) auf die Oberfläche (8), • Gerichtetes Verteilen der ersten Dispersion (9) entlang des Basiselements (5), • Aufbringen einer Bornitrid aufweisenden zweiten Dispersion (10) auf die noch nicht getrocknete erste Dispersion (9), und • Gerichtetes Verteilen der zweiten Dispersion (10) entlang des Basiselements (5).
  12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Dispersion (9) und die zweite Dispersion (10) unmittelbar an dem ersten Ende (6) oder an dem zweiten Ende (7) aufgebracht werden.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das gerichtete Verteilen ein Rakeln mittels einer Rakel ist.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Basiselement (5) ein Endlosband ist, wobei die Schritte des Aufbringens und des gerichteten Verteilens kontinuierlich durchgeführt werden.
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DE102021210974A1 (de) 2021-09-30 2023-03-30 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Elektrische Maschine und Verfahren zum Einlegen von zumindest einem elektrischen Leiterverbund in zumindest eine Nut eines Stators oder Rotors für eine elektrische Maschine

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