BMBF

Hochtemperatur- und Hochleistungskondensatormaterial auf Basis von Natrium-Bismuth-Titanat

Dieses Projekt wird ihm Rahmen des Nachwuchswettbewerbs „NanoMatFutur“ des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) für die Bildung einer Nachwuchsgruppe gefördert. Es befasst sich mit neuen Kondensatormaterialien für Elektronik mit hohen Temperatur- und Leistungsanforderungen. Der erhöhte Bedarf an Energie aus erneuerbaren Quellen, effizientere Energieumwandlung bzw. Energiespeicherung und steigende Elektrifizierung im Transportbereich ergeben diese neuen Anforderungen.

Im Automobil- und Luftfahrtbereich sollen schwere, hydraulische Systeme mit leichten, ökonomischeren elektronischen Lösungen ersetzt werden. Deshalb wird die Aktor- und Sensorelektronik in Bereichen verbaut werden, in denen sie extremen Temperaturen und Temperaturschwankungen ausgesetzt ist (-50°C bis 300°C und darüber). Wird Energie aus erneuerbaren Quellen gewonnen, so steht diese Energie meistens nicht kontinuierlich zu Verfügung. Deshalb sind die elektronischen Bauteile starken Leistungsschwankungen mit zum Teil extrem hohen Leistungsspitzen ausgesetzt. Gerade für den Bereich der Elektromobilität kommen hohe Temperatur- und Leistungsanforderungen zusammen. In Bezug auf Kondensatoren gibt es allerdings derzeit noch kein Material, das bei gleichzeitig hoher und stabiler Kapazität den Anforderungen ausreichend gewachsen wäre. Kondensatoren sind somit als Nadelöhr anzusehen, um die beschriebenen Anwendungen zu ermöglichen bzw. effizient zu gestalten.

Vielversprechende Materialien sind auf Natrium-Bismuth-Titanat (NBT) basierende Keramiken. Allerdings sind NBT-Materialien neue und sehr komplexe Systeme, deren physikalische Eigenschaften oft nicht auf Basis der Erfahrung mit anderen keramischen Systemen eingeschätzt werden können. Das ist im Hinblick auf Bestimmung der Zuverlässigkeit und Alterung der Materialien besonders problematisch. Ziel des Projekts soll es sein, ein Kondensatormaterial zur Verfügung zu stellen, das hohe Anforderungen in Bezug auf Temperatur und Leistung erfüllt und auf Eignung für industrielle Herstellungsprozesse optimiert ist. Tiefgehend ermittelte physikalische Eigenschaften der Keramiken sollen dabei helfen, Anwendungsspektrum, Haltbarkeit und Zuverlässigkeit der Bauteile besser zu bestimmen. Dies ist wegen der hohen Zuverlässigkeitsanforderungen im Automobil- und Luftfahrtbereich besonders wichtig. Hier wird normalerweise auf schon bewährte Technologie (in weniger sicherheitsrelevanten Anwendungen) zurückgegriffen. Weil es keine bestehenden Anwendungen mit vergleichbarem keramischem Material gibt, aus denen Erfahrungen in Bezug auf Zuverlässigkeit abgeleitet werden können, ist ein hohes Maß an Verständnis der grundlegenden physikalischen Eigenschaften notwendig.

Kontakt: Dr. Till Frömling ()