DE102019126382A1

DE102019126382A1 - Variable capacitance capacitor with airgel electrodes and DC / DC converter based on them

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.The present invention relates to the use of elastically deformable aerogels in electrodes of capacitors with variable capacitance and DC voltage converters based on the capacitors according to the invention. In particular, the invention relates to capacitors whose dielectric is in the form of a solid electrolyte and a liquid electrolyte, the liquid electrolyte penetrating the pore space of an electrode with an elastically deformable airgel and being displaced from the space between the electrodes by compressing the airgel, whereby by variation the relative permittivity of the dielectric, the capacitance of the capacitor can be changed.

Description

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.Large proportions (up to 70%) of the primary energy available worldwide are lost unused because they are no longer available to the actual process as an additional product, for example in combustion processes in the form of heat at low temperature levels. Thermoelectric generators (TEG) can partially convert waste heat into electrical power, but with small temperature differences they only generate very low DC voltages, which can be used or stored by in some cases complex electrical circuits (DC-DC converter, MPP tracker) at higher voltage levels need to be transformed. The same applies, for example, to energy from solar cells that are not exposed to optimal solar radiation. A conversion of DC voltages in a single component is currently not possible in power applications.

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).In principle, electrical voltages can be generated and used as alternating voltages (AC) or direct voltages (DC), whereby only alternating voltages can be brought to higher or lower voltage levels with the help of transformers. A conversion of DC voltages in a single component is currently not possible in power applications. This can only be achieved by combining several capacitors, switches and diodes in a charge pump or by converting them into an AC voltage beforehand, which is then transformed via an AC transformer and then converted back into a DC voltage (DC-DC- Converter, 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.The DC-DC converters used to convert applied DC voltages are circuits of several electronic components, such as coils and capacitors. According to the current state of the art, output voltages from electrical low-voltage sources are amplified with DC-DC converters, which represent complex circuits made up of several circuit elements such as coils and capacitors, or with MPPT networks. Maximum Power Point Tracking is a process in which the electrical load on a source is adjusted so that the greatest possible power can be drawn from the source. Both methods are complex to manufacture, therefore expensive and possibly demanding in relation to the installation space to be used. There is therefore a need for new types of DC voltage converters with a simple structure and simple manufacture, which consist of as few components as possible.

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.In principle, electrical capacitors are suitable for voltage conversion. Schematically, there are electrical capacitors, as in 1 is shown, of two electrodes and a dielectric arranged between them. These three layers can also be stacked (they are connected in parallel) or wrapped. The electrodes are made of conductive material, the dielectric is a weakly conductive or insulating substance in solid, gaseous or liquid form. In the case of capacitance diodes, the function of the dielectric is taken over by a charge carrier depletion zone. Capacitors store charge carriers from a DC voltage source on their electrodes and generate an electrical polarization field in the dielectric between the electrodes.

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. $C = \frac{Q}{U}$

Fixed capacitors have a predefined capacitance value, which is defined by the amount of charge that can be stored in the capacitor and the voltage applied for this purpose according to equation (1).

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. $C = ε_{0} ε_{r} \frac{A}{d}$

Here Q is the stored charge, U is the applied voltage and C is the capacitance of the capacitor. State-of-the-art capacitors are manufactured either as fixed capacitors (capacitors with a fixed capacitance) or as capacitors with adjustable capacitance (rotary capacitors, trimmers, capacitance diodes). The capacitance of a capacitor can be calculated from the area A, the distance d between the electrodes, the electric field constant of the vacuum ε ₀ and the relative permittivity of the dielectric used ε _r (in English also K) according to equation (2).

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.For gaseous, liquid and solid matter, ε _r > 1. By varying the capacitance C can therefore According to equation (1) the voltage U present between the electrodes of the capacitor for a certain charge Q can be influenced, whereby capacitors are in principle suitable for voltage conversion.

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.In the case of capacitors with adjustable capacitance from the prior art, this can be changed by mechanically influencing the capacitor geometry (for example twisting) or electrically (in the case of capacitance diodes).

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.

For example, capacitive sensors according to the state of the art are based on the fact that two electrodes, one of which can be a surface to be measured, form the plates of an electrical capacitor whose measurable capacitance or change in capacitance can be influenced as follows:

a) A plate is displaced or deformed by the effect to be measured, which changes the plate spacing and thus the electrically measurable capacitance.
b) The plates are rigid and the capacitance changes because either electrically conductive material or a dielectric is brought into the immediate vicinity.
c) The effective plate area changes when the plates are shifted against each other like a rotary capacitor.

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. WO 2015/089491 A1 describes a capacitance sensor based on a liquid electrolyte enclosed by solid electrodes. The capacitance sensor is characterized by an elastic electrolyte-electrode contact with high interfacial capacitance, whereby an applied force or an exerted pressure can be determined with high sensitivity and resolution.

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. US 2007/248799 A1 discloses a flexible capacitance sensor that includes a dielectric and two electrically conductive layers enclosing the dielectric. An applied force is measured by determining the change in capacitance of the capacitor caused by the force.

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. Park et al. (D.-W. Park et al., Current Applied Physics 2016, 16, 658-664) describe the use of mesoporous carbon aerogels in electrodes of supercapacitors. The capacitors described have a rigid shape and their capacitance cannot be varied.

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.The capacitors with variable capacitance and DC voltage converters known from the prior art have the disadvantage that they can only provide low gain factors for DC-DC conversion in a direct way. In the prior art, therefore, low voltage levels, in particular for charging batteries or for supplying other consumers at higher voltage levels, cannot be used. DC voltage converters from the prior art are characterized by a high level of complexity due to the use of several electronic components (DC-DC converters). Complex, expensive circuits, which may require a large amount of installation space, are therefore necessary in order to use small voltages.

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.The present invention is therefore based on the object of providing capacitors with variable capacitance which avoid the disadvantages described above and are therefore particularly suitable for use in DC voltage converters with a large voltage amplification effect and thus enable the efficient use of low DC voltages. In particular, capacitors with variable capacitance and high power and energy densities are to be provided. The invention is also based on the object of providing DC voltage converters which avoid the disadvantages of the prior art and consist of a few components, in particular a single capacitor.

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.In a first embodiment, this object is achieved by an electrical capacitor with variable capacitance comprising at least two electrodes and a dielectric, which is characterized in that one or more electrode (s), in particular two electrodes, comprises an elastically deformable airgel.

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.The capacitor according to the invention with variable capacitance differs from the capacitors from the prior art in particular in that at least one electrode comprises an elastically deformable airgel. The surface of the electrodes is very large compared to the prior art due to the use of aerogels, since aerogels have large surfaces due to their porosity. This achieves a large relative capacitance of the capacitor (of, for example, 21.8 F / g), so that many charge carriers can be stored. Compared to the state of the art, capacitors with aerogels are characterized by higher energy and power densities. Due to the elastic deformability of the aerogels used according to the invention, the electrodes can be compressed or deformed, so that a change in the capacitance and thus a voltage transformation can be initiated by mechanically influencing the capacitor.

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.The capacitors according to the invention with variable capacitance can step up or step down direct voltages and are thus suitable as elementary electrical or electronic components for a wide variety of DC applications. Their power and energy density is in particular in the range of 2.4 kW / kg or 22.1 Wh / kg and more, which means that the capacitors according to the invention are particularly well suited for power applications.

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.In a preferred embodiment, the dielectric comprises a solid electrolyte with a first relative permittivity ε ₁ as a separator between at least two electrodes and a liquid electrolyte with a second relative permittivity ε ₂ . The first relative permittivity ε ₁ is in particular lower than the second relative permittivity ε _2. In this embodiment, the liquid electrolyte is in contact with at least one of the electrodes and penetrates at least partially into a pore space of the elastically deformable airgel.

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.The capacitance of the capacitor can preferably be varied by compressing the elastically deformable airgel to displace part of the liquid electrolyte from the space between the electrodes and / or by expanding the elastically deformable airgel to force part of the liquid electrolyte into the space between the electrodes .

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.While there is usually only one type of dielectric in capacitors from the prior art, the capacitors according to the invention preferably use a solid electrolyte of low relative permittivity ε ₁ as a separator between, for example, at least two chambers in which the electrodes are individually located, in combination with a liquid electrolyte of high relative permittivity ε ₂ , which fills the electrodes made porous and is not only in contact with a flat surface.

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.According to the invention, at least one electrode comprises an elastically deformable airgel material, which is preferably permeated with the liquid electrolyte. Preferably, two electrodes comprise an elastically deformable airgel material which is permeated with the liquid electrolyte. The electrodes can, for example, each be introduced into a chamber which is filled with the liquid electrolyte. The two chambers are separated from one another in particular by the solid electrolyte.

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.When the airgel electrodes are compressed, the liquid electrolyte can escape into a reservoir, so that only the solid electrolyte remains available to maintain the polarization between the electrodes. As a result of the associated change in the permittivity of the dielectric, the capacitance of the capacitor changes and, accordingly, the voltage applied for a certain charge according to equation (1). A large difference in the relative permittivities of the electrolytes can contribute to a particularly large extent to the voltage gain that can be achieved with the capacitor according to the invention. When compressed, the pores of the electrodes close so that the liquid electrolyte is pressed out of the electrode and the surface of the electrode is reduced by short-circuiting between opposing pore surfaces. The reduced electrode surface also contributes to the voltage gain that can be achieved with the capacitor according to the invention.

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.If an external voltage is applied to such a preferred capacitor, it charges with charge carriers according to equation (1) until the external voltage in the capacitor is reached. If the capacitor is now disconnected from the circuit, which can be done physically either by removing the leads or by using suitable switches or diodes, for example, the charge carriers initially remain in the capacitor and the voltage U is applied to the electrodes. If the flexible open-pore electrodes are now compressed or deformed, the liquid electrolyte with a high relative permittivity ε _{2 flows} out of the pores, the distance d between the metallic contact foils of the capacitor becomes smaller and the pores of the applied carbon airgel are compressed, so that the area A of the electrodes is decreased.

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.

Taking into account equation (2), the capacitance of the capacitor is influenced by these effects as follows:

a) Liquid electrolyte flows out -> rel. Permittivity ε _r falls (up to the value ε _{1 of} the solid electrolyte) -> C becomes lower
b) d decreases -> C increases
c) A gets smaller -> C gets smaller.

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.Due to the preferably selected high permittivity differences between solid and liquid electrolyte, as well as the large surface area of the electrodes due to the airgel layer, effects (a) and (c) outweigh effect (b), so the capacitance C of the capacitor is lower.
As a result, according to equation (1), the voltage U between the electrodes of the capacitor increases, since no charge carriers Q can be destroyed / removed. This increased DC voltage is now available to a circuit connected / switched on in the connection.

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.When a previously compressed capacitor is expanded, the effects (a) to (c) occur in exactly the opposite way, so that a DC voltage can be reduced. Thus, by using the preferred capacitor, a voltage transformation of DC voltages in a component is possible.

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.The periodic mechanical deformation of the capacitor can be caused either by active components (such as piezo actuators) or by movements present in the application system (for example moving parts or vibrations in vehicles and machines, muscle contractions in the body, compression of the shoe sole when humans walk, movement of waves from rotating systems (e.g. wind turbines)).

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. 2 shows a schematic example of a capacitor preferred according to the invention with a solid electrolyte which comprises two chambers with a liquid electrolyte and two electrodes in the chambers.

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.The solid electrolyte preferably has a first relative permittivity ε ₁ in a range from 2.2 F / m to 6 F / m, preferably 2 F / m to 4 F / m, particularly preferably 2 F / m to 3.5 F / m , in particular 3 F / m, see also Handbook of Chemistry and Physics; David R. Lide, 78th ed. 1997, pp. 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.The liquid electrolyte preferably has a second relative permittivity ε ₂ in a range from 2.7 F / m to 90.0 F / m, preferably 20 F / m to 90 F / m, particularly preferably 65 F / m to 90 F / m especially 90 f / m.

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.The difference between the permittivity of the solid electrolyte and the permittivity of the liquid electrolyte is preferably in a range from 20 to 87, preferably 40 to 87, particularly preferably 70 to 87, in particular 85.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Festelektrolyt ausgewählt aus Polyethylen, Polycarbonat oder einer Kombination der vorgenannten Materialien.In a preferred embodiment, the solid electrolyte is selected from polyethylene, polycarbonate or a combination of the aforementioned materials.

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.The liquid electrolyte is preferably selected from glycerol, methanol, distilled water, ET ₄ NBF ₄ / PC, or organic, ester-containing electrolytes such as ethylene carbonate or propylene carbonate or mixtures thereof.

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.The capacitor according to the invention preferably has a specific capacitance in a range from 1 F / g to 30 F / g. A specific capacity in a range from 15 F / g to 25 F / g, in particular 20 F / g to 23 F / g, is particularly preferred.

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.The capacitor according to the invention preferably has a power density in a range from 1 kW / kg to 3 kW / kg. A power density in a range from 2 to 3 kW / kg, in particular 2.4 to 2.5 kW / kg, is particularly preferred.

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.The capacitor according to the invention preferably has an energy density in a range from 10 to 22 Wh / kg. An energy density in a range from 15 to 22 Wh / kg, in particular 20 to 22 Wh / kg, is particularly preferred.

Mit den erfindungsgemäßen Kondensatoren lassen sich insbesondere Spannungserhöhungen in einem Bereich von bis zu 20% erreichen.With the capacitors according to the invention, in particular voltage increases in a range of up to 20% can be achieved.

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%.The airgel used according to the invention must have electrical conductivity in order to be suitable as an electrode material. Furthermore, the airgel used according to the invention is elastically deformable. Flexibility or elastic deformability is the property of a body to return to its original state after a deformation as soon as the deforming force is no longer effective. For example, if the elastic deformability is 25%, it means that the material, which has been uniaxially compressed by 25%, returns completely to its initial state after the force has been removed. For this invention, the elastic deformability should preferably have a value of at least 10%. An elastic deformability of at least 15% is particularly preferred. The carbon airgel very particularly preferably has an elastic deformability of at least 25%. The elastic deformability is preferably not more than 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.An airgel that can be used according to the invention is in particular in DE 10 2012 218 548 A1 described without the present invention being limited to the material disclosed there.

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.The elastically deformable airgel is preferably an elastically deformable carbon airgel and / or a metallized, elastically deformable airgel. In principle, any elastically deformable airgel that has been made conductive by coating with a metal is suitable as a metallized, elastically deformable airgel. The metallization of cellulose-based aerogels is for example in [M. Schestakow, F. Muench, C. Reimuth, L. Ratke, W. Ensinger, Appl. Phys. Lett. 2016, 108, 213108].

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.An elastically deformable carbon airgel can in particular be obtained by pyrolysis of an elastically deformable organic airgel. A suitable organic airgel as a starting material for the carbon airgel obtained by pyrolysis is for example in DE 10 2012 218 548 A1 , to which reference is made in full. The carbonization (pyrolysis) for the production of the airgel can for example be carried out under an argon atmosphere at a temperature of at least 900.degree. C., preferably 950.degree. C., and up to 1000.degree. The temperature is preferably 1000 ° C. Temperatures above 1000 ° C lead to high shrinkage and a reduction in the pore volume. Temperatures below 900 ° C lead to incomplete carbonization. The carbonation takes place preferably within an hour.

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.

The elastically deformable carbon airgel is preferably obtainable by a method comprising the following steps:

a) preparing a solution containing distilled water, resorcinol, formaldehyde and a base, in particular sodium carbonate, with formaldehyde being present in a stoichiometric excess with respect to resorcinol and the molar ratio of resorcinol and water being in a range from 0.006 to 0.01;
b) adjusting the pH of the solution to a range from 5.3 to 5.6;
c) gelation at a temperature of 70 to 90 ° C;
d) cooling the gel to room temperature and washing with an aprotic organic solvent;
e) drying the gel at a temperature that is higher than room temperature;
f) pyrolysis of the gel, in particular at a temperature in a range from 900 to 1000 ° C. in an inert gas atmosphere.

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.In a preferred embodiment of the capacitor according to the invention, at least one electrode comprises a monolithic, elastically deformable airgel and / or an elastically deformable airgel on a rigid or flexible substrate. In particular, at least one electrode consists of one of the materials mentioned. At least two electrodes preferably comprise one of the named materials or consist of one of the named materials. All electrodes of the capacitor according to the invention preferably comprise or consist of an elastically deformable airgel in the form of a monolith or on a rigid or flexible substrate. In principle, any suitable material that has sufficient electrical conductivity can be used as the substrate. Particularly preferred rigid substrates include metallic sheets, metallic foils such as steel, nickel and platinum. Particularly preferred flexible substrates include nickel and platinum.

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.An elastically deformable monolithic airgel can be produced by a method from the prior art and used directly in a capacitor according to the invention. If an electrode with an airgel is to be used on a substrate, a corresponding airgel can be applied to the substrate using any suitable method from the prior art. The application can take place, for example, with the aid of a doctor blade method or spraying.

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.

However, it is particularly preferred, especially if a carbon airgel is to be used as an elastically deformable airgel, to shape the airgel in situ on the substrate. In a preferred embodiment of the capacitor according to the invention, at least one electrode of the capacitor can accordingly be obtained using a method comprising the following steps:

a) preparing a solution containing distilled water, resorcinol, formaldehyde and a base, in particular sodium carbonate, with formaldehyde being present in a stoichiometric excess with respect to resorcinol and the molar ratio of resorcinol and water being in a range from 0.006 to 0.01;
b) adjusting the pH of the solution to a range from 5.3 to 5.6;
c) providing a substrate with a melting point of more than 1100 ° C;
d) applying the gelling resorcinol-formaldehyde solution to the substrate;
e) gelation at a temperature of 70 to 90 ° C;
f) cooling the gel to room temperature and washing with an aprotic organic solvent;
g) drying the gel at a temperature higher than room temperature;
h) pyrolysis of the gel, in particular at a temperature in a range from 900 to 1000 ° C. in an inert gas atmosphere.

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].Electrodes that can be obtained with the method described are characterized in particular by particularly good adhesion between the airgel and the substrate. In the process described, a substrate is coated (in places) with a film of the associated resorcinol-formaldehyde solution, which is then subjected to drying. The composition of the batch is chosen in such a way (for example molar ratios resorcinol: water = 0.008; resorcinol: catalyst (sodium carbonate) = 50; resorcinol: formaldehyde = 0.5) that flexible aerogels based on resorcinol-formaldehyde are formed. By a carbonization step (pyrolysis), especially in a Temperature of 900 to 1000 ° C, under an inert gas atmosphere, for example argon atmosphere, the airgel structure is converted into an open-pored, elastically deformable carbon-airgel film [ 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.The pyrolysis is preferably carried out at a temperature in a range from 900 to 1000 ° C. For this reason, substrates must be used whose melting point is above the temperature set in pyrolysis step f), in particular above 1000 ° C. For example, the substrates are made of metal sheets or foils, the material of which (for example nickel, titanium or steel) has a melting point that is above the process temperature required for airgel carbonization, in particular above 1000 ° C.

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.A capacitor according to the invention can be used in particular for transforming direct voltages to higher energy levels for the construction of electrical and electronic circuits, for upgrading low voltage levels, for example for charging batteries or for using residual energy.

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 an alternative embodiment, the object on which the invention is based is achieved by a method for producing a capacitor according to the invention, comprising the following steps:

a) providing a first electrode comprising an elastically deformable airgel, in particular an elastically deformable carbon airgel;
b) infiltrating the elastically deformable airgel with a liquid electrolyte;
c) providing a container with a first chamber, the first chamber being filled with the liquid electrolyte and at least partially separated from the environment by a solid electrolyte;
d) introducing the electrode into the first chamber of the container;
e) providing at least one further electrode, the at least one further electrode being separated from the first chamber with the first electrode by the solid electrolyte.

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.Any of the electrodes described above, any of the aerogels described above and any of the solid electrolytes or liquid electrolytes described above can be used in the method according to the invention.

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.The at least one further electrode is preferably provided by introducing a second electrode comprising an elastically deformable airgel that is infiltrated with liquid electrolyte into a second chamber of the container, the second chamber being filled with liquid electrolyte and via the solid electrolyte with the first chamber is connected.

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 particular, at least two of the aforementioned electrodes can be _{impregnated with a liquid electrolyte with a high relative permittivity ε 2} and placed in a container filled with this electrolyte so that they are arranged parallel to one another. The container can, for example, be metallic or consist of a plastic or polymer (for example PE bags or polypropylene films, but in particular can contain at least two by a non-conductive (solid) electrolyte with a low relative permittivity ε ₁ (for example PE wall of the bag ) have separate chambers, so that an electrode is placed in each chamber and the chambers are electrically isolated from each other. The outer walls of the vessel can be selected flexibly (in places) so that the electrodes can be deformed / compressed for operation and the liquid electrolyte , which is initially located between and in the electrodes, in the event of such a deformation / compression, can escape into the space that is not located between the electrodes metallic wire is possible These contacts can be connected to both voltage sources and consumers.

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 an alternative embodiment, the object on which the invention is based is achieved by using an elastically deformable airgel as the flexible electrode material in an electrical capacitor with variable capacitance.

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.In an alternative embodiment, the object on which the invention is based is achieved by a DC voltage converter comprising a capacitor according to the invention. The DC / DC converter according to the invention can comprise any of the previously defined capacitors according to the invention.

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.Compared to the DC-DC converters used according to the prior art, which consist of circuits of several electronic components, the DC-DC converter according to the invention is in particular a single component, so that the complexity of the conversion system is significantly reduced. The DC voltage converter according to the invention is based on the use of the capacitor according to the invention with variable capacitance with airgel electrodes as a DC Voltage transformer. The DC voltage converter according to the invention is particularly suitable in combination with voltage-generating sources, such as, for example, thermoelectric generators or photovoltaic PV, in a corresponding circuit. Because of the high power and energy density of the capacitor, such circuits are particularly well suited for power applications.

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.For example, a combination of a diode and the capacitor according to the invention can be used as an amplifier to amplify the electrical voltage generated in a voltage source. Compared to the DC-DC converters and MPPT networks used in the prior art, which are made up of circuits of several electronic components, this circuit is thus significantly simpler in terms of the complexity of the conversion system and can be manufactured significantly more cost-effectively.

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).In a preferred embodiment of the DC voltage converter according to the invention, a MOSFET diode (metal oxide semiconductor field effect transistor), which only causes a slight reduction in an applied DC voltage, but otherwise acts as a direction switch between a connected voltage source and the subsequent circuit, is included connected to a capacitor according to the invention. A thermoelectric generator (in the form of a module) can be connected to the capacitor according to the invention via the MOSFET diode (see 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.If the thermoelectric generator now generates an electrical voltage at a low voltage level when a heat current flows through it (or a solar module that is irradiated), the capacitor charges up to this voltage. If the capacitor is deformed or compressed, the voltage on the capacitor increases due to the reduction in its capacitance. The diode prevents this increased voltage from affecting the source. The increased voltage is available (if necessary via a further diode) to downstream consumers, batteries, capacitor chains or networks. When it is used, the voltage on the capacitor is reduced again. If the capacitor then expands mechanically, its capacity increases again, so that the voltage applied there drops below the value of the source. This switches the (first) diode back to continuity and the capacitor is charged again from the source. This charge-discharge cycle can be repeated as often as required.

Der erfindungsgemäße Gleichspannungswandler kann insbesondere zur Abwärmenutzung, Restenergieerzeugung, Energieerzeugung, Aufwertung niedriger Spannungsniveaus, beispielsweise zum Laden von Batterien oder zum Betrieb von Verbrauchern eingesetzt werden.The DC / DC converter according to the invention can be used in particular for utilizing waste heat, generating residual energy, generating energy, upgrading low voltage levels, for example for charging batteries or for operating consumers.

AusführungsbeispieleEmbodiments

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 ( ).

Manufacture of airgel-metal composite

1. Preparation of nickel strips Approximately 8 to 10 cm long and 1 cm wide nickel strips are cut out, the surface of which is lasered to increase the surface roughness. The surface is cleaned with ethanol and dried in air at room temperature.
2. Sol-gel process In a 180 mL polypropylene beaker, 10 g resorcinol are dissolved in 195 mL deionized water at room temperature. After stirring for 5 minutes, 14.7 g of 37% formaldehyde solution are added. After stirring for a further 5 minutes, 0.193 g of solid sodium carbonate are added. After the sodium carbonate has dissolved, the pH is adjusted to between 5.40 and 5.60 using 2N nitric acid. The solution is stirred for a further 30 minutes at room temperature. The nickel strip is then placed in the solution. The beaker is tightly closed and placed in an oven at 60-80 ° C. for 7 days for gelation. After gelation, the gel is taken out of the beaker and placed in an approx. 300 mL acetone bath to exchange the pore fluid for acetone. The solvent exchange lasts 3 days at room temperature, during which acetone is exchanged 6 times.
3. Drying and carbonization
- 3.1. The gel is dried in an autoclave in supercritical carbon dioxide at 50-60 ° C and 80-100 bar. The airgel-nickel composite is then carbonized in a pyrolysis furnace. The carbonization takes place in an argon atmosphere at 1000 ° C. The heating rate is 400 K / min and the carbonization time is 60 minutes.
4. Preparation of the electrode The airgel layer on the nickel strip is reduced to about 100-200 µm with the aid of a scalpel ( ). The electrode is placed in a polyethylene jar. The vessel is filled with the electrolyte and tested ( ).

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

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

Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited

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

Claims

Electrical capacitor with variable capacitance comprising at least two electrodes and a dielectric, characterized in that one or more electrode (s), in particular two electrodes, comprise / comprise an elastically deformable airgel.

Condenser after Claim 1 , characterized in that the dielectric comprises a solid electrolyte with a first relative permittivity ε ₁ as a separator between at least two electrodes and a liquid electrolyte with a second relative permittivity ε ₂ , the liquid electrolyte being in contact with at least one of the electrodes and at least partially penetrates into a pore space of the elastically deformable airgel, and wherein the first relative permittivity ε _{1 is} in particular lower than the second relative permittivity ε ₂ .

Condenser after Claim 2 , characterized in that the capacitance of the capacitor can be varied by compressing the elastically deformable airgel to displace part of the liquid electrolyte from the space between the electrodes and / or by expanding the elastically deformable airgel to displace part of the liquid electrolyte into the space penetrates between the electrodes.

Condenser after Claim 2 or 3 , characterized in that the difference between the first relative permittivity ε ₁ and the second relative permittivity ε _{2 is} in a range from 40 F / m to 87 F / m, in particular from 70 F / m to 87 F / m.

Capacitor according to one of the Claims 2 to 4th , characterized in that the solid electrolyte is selected from polyethylene, polycarbonate or a combination of these materials.

Capacitor according to one of the Claims 2 to 5 , characterized in that the liquid electrolyte is selected from glycerine, methanol, distilled water, ET ₄ NBF ₄ / PC, or organic, ester-containing electrolytes such as ethylene carbonate or propylene carbonate or mixtures thereof.

Capacitor according to one of the Claims 1 to 4th , characterized in that the elastically deformable airgel is an elastically deformable carbon airgel and / or a metallized, elastically deformable airgel.

Condenser after Claim 7 , characterized in that the elastically deformable carbon airgel is obtainable by pyrolysis of an elastically deformable organic airgel with a method comprising the following steps: a) Preparing a solution containing distilled water, resorcinol, formaldehyde and a base, in particular sodium carbonate, with formaldehyde in relation to Resorcinol is present in stoichiometric excess and the molar ratio of resorcinol and water is in a range from 0.006 to 0.01; b) adjusting the pH of the solution to a range from 5.3 to 5.6; c) gelation at a temperature of 70 to 90 ° C; d) cooling the gel to room temperature and washing with an aprotic organic solvent; e) drying the gel at a temperature that is higher than room temperature; f) pyrolysis of the gel, in particular at a temperature in a range from 900 to 1000 ° C. in an inert gas atmosphere.

Capacitor according to one of the Claims 1 to 8th , characterized in that at least one electrode comprises a monolithic, elastically deformable airgel and / or a flexible airgel on a rigid or flexible substrate, in particular consists of the materials mentioned.

Capacitor according to one of the Claims 1 to 9 , characterized in that at least one electrode is obtainable with a method comprising the following steps: a) preparation of a solution containing distilled water, resorcinol, formaldehyde and a base, in particular sodium carbonate, with formaldehyde being present in stoichiometric excess with respect to resorcinol and the molar ratio of resorcinol and water ranges from 0.006 to 0.01; b) adjusting the pH of the solution to a range from 5.3 to 5.6; c) gelation at a temperature of 70 to 90 ° C; d) providing a substrate with a melting point of more than 1000 ° C; e) applying the gelling resorcinol-formaldehyde solution to the substrate; f) cooling the gel to room temperature and washing with an aprotic, organic solvent; g) drying the gel at a temperature higher than room temperature; h) pyrolysis of the gel, in particular at a temperature in a range from 900 to 1000 ° C. in an inert gas atmosphere.

Method for producing a capacitor according to one of the Claims 1 to 10 , comprising the following steps: a) providing a first electrode comprising an elastically deformable airgel, in particular a elastically deformable carbon airgel as in Claim 8 Are defined; b) infiltrating the elastically deformable airgel with a liquid electrolyte; c) providing a container with a first chamber, the first chamber being filled with the liquid electrolyte and at least partially separated from the environment by a solid electrolyte; d) placing the electrode in the first chamber of the container; e) providing at least one further electrode, the at least one further electrode being separated from the first chamber with the first electrode by the solid electrolyte.

Procedure according to Claim 11 , characterized in that the at least one further electrode is provided by introducing a second electrode comprising an elastically deformable airgel that is infiltrated with liquid electrolyte into a second chamber of the container, the second chamber being filled with liquid electrolyte and over the solid electrolyte is connected to the first chamber.

Use of an elastically deformable airgel as a flexible electrode material in an electrical capacitor with variable capacitance.

DC voltage converter, comprising a capacitor according to one of Claims 1 to 10 .