Kondensatoren werden häufig verwendet, um die Stromversorgung in Elektrogeräten aufrechtzuerhalten, während eine Batterie geladen wird. Dass die Anforderungen an Kostenreduzierung und Miniaturisierung steigen, treibt auch die Entwicklung von Kondensatoren mit höherer Energiedichte voran. Bislang werden sie in diesem Feld jedoch von Batterien und Brennstoffzellen abgehängt.
Das im Berkeley Lab der University of California entwickelte neue Material könnte das nun ändern, indem es die Effizienz, Zuverlässigkeit und Robustheit von Kondensatoren mit den Energiespeicherfähigkeiten größerer Batterien kombiniert. Es basiert auf einem sogenannten Relaxor-Ferroelektrikum, einem keramischen Material, das auf ein äußeres elektrisches Feld schnell mechanisch oder elektronisch reagiert und häufig in Anwendungen wie Ultraschall, Drucksensoren und Spannungsgeneratoren verwendet wird.
Das Problem bestand darin, das Ferroelektrikum so zu optimieren, dass es sehr schnell – milliardenfach oder mehr – mit hohen Spannungen be- und entladen werden kann – und zwar ohne Schäden davonzutragen, die es für den Langzeiteinsatz in Anwendungen wie Computern und Fahrzeugen ungeeignet machen würden.
Defekte durch Ionenbeschuss
Die Forscher im Labor von Lane Martin, einem Fakultätswissenschaftler in der Abteilung Materialwissenschaften (MSD) am Berkeley Lab und Professor für Materialwissenschaften und -technik an der UC Berkeley, konnten dieses Problem durch die Einführung lokaler Defekte lösen. Diese ermöglichten es dem Material, größeren Spannungen standzuhalten.
„Sie kennen Relaxor-Ferroelektrika wahrscheinlich von einem Gasgrill“, erklärt Martin. „Der Knopf, mit dem der Grill angezündet wird, betätigt einen federbelasteten Hammer, der auf einen piezoelektrischen Kristall schlägt, der eine Art Relaxator ist, und eine Spannung erzeugt, die das Gas entzündet. Wir haben gezeigt, dass sie auch zu einigen der besten Materialien für Energiespeicheranwendungen gemacht werden können.“
Legt man ein ferroelektrisches Material zwischen zwei Elektroden und erhöht das elektrische Feld, baut sich Ladung auf. Während der Entladung hängt die Menge der verfügbaren Energie davon ab, wie stark sich die Elektronen des Materials als Reaktion auf das elektrische Feld orientieren oder polarisiert werden. Die meisten Materialien können einem großen elektrischen Feld normalerweise nicht standhalten. Die grundlegende Herausforderung bestand deshalb darin, einen Weg zu finden, das maximal mögliche elektrische Feld zu erhöhen, ohne die Polarisation zu opfern.
Die Forscher wandten sich einem Ansatz zu, den sie zuvor entwickelt hatten, um die Leitfähigkeit eines Materials „auszuschalten“. Indem sie einen dünnen Film mit hochenergetischen geladenen Teilchen, den Ionen, beschossen, konnten sie isolierte Defekte verursachen. Die Defekte fangen die Elektronen des Materials ein, verhindern ihre Bewegung und vermindern die Leitfähigkeit des Films erheblich.
„Bei Ferroelektrika, die eigentlich Isolatoren sein sollten, ist es ein großes Problem, dass die Ladung durch sie hindurch leckt“, erklärt Jieun Kim, Doktorand in Martins Gruppe. „Indem wir Ferroelektrika mit Strahlen hochenergetischer Ionen bombardierten, wussten wir, dass wir sie zu besseren Isolatoren machen können. Wir fragten uns dann, ob wir denselben Ansatz verwenden könnten, um einen ferroelektrischen Relaxator dazu zu bringen, größeren Spannungen und elektrischen Feldern standzuhalten, bevor er versagt.“
Höhere Speicherdichte und Leistungsfähigkeit
Die Antwort auf diese Frage lautete: ja. Kim stellte zunächst dünne Filme eines prototypischen ferroelektrischen Relaxor-Ferroelektrikums namens Blei-Magnesium-Niobit-Blei-Titanat her. Dann richtete er die Filme mit hochenergetischen Heliumionen auf die Ionenstrahl-Analyseanlage, die von der Abteilung für Beschleunigertechnologie und angewandte Physik (ATAP) im Berkeley Lab betrieben wird.
Die Heliumionen klopften die Zielionen von ihren Standorten ab, um Punktdefekte zu erzeugen. Messungen ergaben, dass der mit Ionen beschossene Film eine mehr als doppelt so hohe Energiespeicherdichte wie die zuvor berichteten Werte und einen um 50 Prozent höheren Wirkungsgrad aufwies.
„Wir hatten ursprünglich erwartet, dass die Auswirkungen hauptsächlich auf die Verringerung der Leckage mit isolierten Punktdefekten zurückzuführen sein würden“, berichtet Martin. „Jedoch stellten wir fest, dass die Verschiebung in der Beziehung zwischen Polarisation und elektrischem Feld aufgrund einiger dieser Defekte ebenso wichtig war.“
Diese Verschiebung bedeutet, dass immer größere angelegte Spannungen erforderlich sind, um die maximale Änderung der Polarisation zu erzeugen. Martin: „Das Ergebnis legt nahe, dass der Ionenbeschuss dazu beitragen kann, den Kompromiss zwischen hoher Polarisierbarkeit und leichter Zerbrechlichkeit zu überwinden.“
Anwendung bei anderen Materialien
Der gleiche Ionenstrahl-Ansatz könnte auch bei anderen dielektrischen Materialien verwendet werden, um die Energiespeicherung zu verbessern. Er bietet den Forschern zugleich ein Werkzeug zur Reparatur von bereits synthetisierten Materialien.
„Es wäre großartig zu sehen, wie Leute diese Ansätze nutzen, um Materialien in Geräten nachträglich zu ,heilen‘, wenn deren Synthese oder Produktionsprozess nicht perfekt funktionieren“, sagt Kim.
