DE19952447C1 - Vorrichtung mit einer Elektrode, einer schwammartigen perkolierenden Schicht, einem Elektrolyten und einem Mittel zum Anlegen einer Spannung - Google Patents

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung mit einer perkolierenden, schwammartigen Nanopartikel-Schicht vorzuschlagen, die für eine Vielzahl von technischen Anwendungen geeignet ist. DOLLAR A Dies wird erreicht durch eine Vorrichtung mit einer Elektrode, einer schwammartigen, perkolierend elektrisch leitfähigen Schicht aus miteinander verbundenen Nanopartikeln, die Hohlräume enthält und die die Elektrode zumindest teilweise bedeckt, wobei die Größe der Nanopartikel höchstens das 15-fache der Größe einer sich ausbildenden Raumladungszone in der Schicht beträgt, in der die Hohlräume zumindest teilweise mit einem Elektrolyten gefüllt sind, wobei die Hohlräume der Schicht größer sind als die Raumladungszone im Elektrolyten und in der der Elektrolyt außerdem einen Film bildet, der an die der Elektrode gegenüberliegende Oberfläche der Schicht angrenzt, sowie Mitteln, mit deren Hilfe sich zwischen der Elektrode und dem Elektrolyten eine Spannung anlegen läßt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einer Elektrode, einer schwammartigen perkolierenden Schicht, einem Elektrolyten und einem Mittel zum Anlegen einer Spannung gemäß dem ersten Patentanspruch.

Kuo-chuan Liu und Marc A. Anderson berichten in der Veröffent­ lichung "Porous Nickel Oxide/Nickel Films for Electrochemical Capacitors, J. Electrochem. Soc., Vol. 143 (1996) 124-130 über elektrochemische Kondensatoren. Die Kondensatoren bestehen aus zwei im Abstand von 7 mm einander gegenüberliegenden Schichten von jeweils perkolierenden, schwammartig auf einen Träger auf­ gebrachten NiO/Ni-Teilchen, deren Größe 3 bis 8 nm und deren Porengröße 2 bis 3 nm beträgt. Die Schichten sind in einer elektrochemischen Zelle angeordnet, die mit einem flüssigen Elektrolyten gefüllt ist. Mit Hilfe eines ersten Schaltkreises, in dem die Zelle und ein Widerstand in Reihe geschaltet sind, kann der Kondensator über einen Potentiostaten geladen werden. Die Entladung wird durch Überbrücken des Potentiostaten er­ reicht. Ein Verfahren zur Herstellung der Schicht wird angege­ ben.

Da zwei perkolierende Schichten vorgesehen sind, die durch eine 7 mm dicke Lage des flüssigen Elektrolyten voneinander getrennt sind, ist die Verwendung auf Kondensatoren begrenzt. Andere Verwendungen, insbesondere solche, die auf optischen Effekten beruhen, sind damit ausgeschlossen. Die Art der Wechselwirkung zwischen den perkolierenden Schichten und dem Flüssigelektroly­ ten wird nicht exakt beschrieben; insbesondere wird nicht er­ wähnt, ob der Flüssigelektrolyt in die Schichten eindringt.

In "an Electrochemical Route for Making Porous Nickel Oxide Elektrochemical Capacitors" von Venkat Srinivasan und John W. Weidner, J. Electrochem. Soc., Vol. 144 (1997) L210-L213 wird über ein weiteres Herstellungsverfahren berichtet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine weitere Vorrich­ tung mit einer perkolierenden, schwammartigen Nanopartikel- Schicht vorzuschlagen, die für eine Vielzahl von technischen Anwendungen geeignet ist.

Die Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 beschriebene Vorrich­ tung gelöst.

Der weitere Anspruch gibt eine bevorzugte Ausgestal­ tung der Vorrichtung an.

Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, die auf einer Elektrode als Träger aufgebaut ist. Als Elektrode eignen sich Festkörper, Folien oder Beschichtungen aus einem gut lei­ tenden und chemisch inerten Metall, beispielsweise Silber, Aluminium, Nickel, Gold, Platin oder Kupfer oder einer transpa­ renten leitenden Schicht wie z. B. ITO (Indium Tin Oxide). Vorzugsweise ist die Folie 0,1 bis 1000 µm dick. Geringe Fo­ lienstärken, beispielsweise in der Größenordnung von 1 µm, wer­ den für elektronische Anzeigen (Displays) eingesetzt; dickere Folien finden Anwendung in der Aktor-Technik.

Die Elektrode ist zumindest teilweise von einer schwammartigen, perkolierenden Schicht aus miteinander verbundenen Nanoparti­ keln belegt. Unter "perkolierend" wird hier und in der Folge eine durchgängig miteinander mechanisch und elektrisch leitend verbundene Struktur verstanden. Vorzugsweise ist nur eine ein­ zige perkolierende Schicht vorhanden. Die Nanopartikel können aus einem Metall, beispielsweise Silber, Gold, Palladium, Pla­ tin, Nickel oder Wolfram, einem Halbleiter wie beispielsweise Silicium, Galliumarsenid oder Cadmiumsulfid, oder einem Ionen­ kristall wie Nickeloxid oder Rutheniumoxid bestehen.

Die Größe der Nanopartikel beträgt höchstens das 15-fache der Größe einer sich ausbildenden Raumladungszone. Der Begriff "Raumladungszone" ist z. B. in K. H. Hellwege, Einführung in die Festkörperphysik, Springer 1976, Kapitel 46.2 oder Ch. Kit­ tel, Einführung in die Festkörperphysik, Oldenbourg, 10. Auf. 1993, Abschnitt "Schottky-Barrieren" definiert und erläutert. Die Raumladungszone ist bei Metallen etwa ein zehntel nm groß. Metall-Nanopartikel sollten somit idealerweise ca. 1,5 nm groß sein. Bei Halbleitern ist die Raumladungszone abhängig von der Dotierung zwischen einigen und einigen hundert nm groß. Somit sollten Halbleiter-Nanopartikel etwa 15 bis 3000 nm groß sein.

Die Größe der Hohlräume oder Poren in der schwammartigen perko­ lierenden Schicht muß mindestens der Raumladungszone im Elek­ trolyten entsprechen. Sie können ansonsten beliebig groß sein. Aus Gründen einer optimalen Packungsdichte wird man für die Hohlräume eine Größe wählen, die die Größe der Raumladungszone nur wenig übersteigt, etwa maximal das 2-fache der Raumla­ dungszone.

Die Hohlräume der Schicht sind zumindest teilweise mit einem Elektrolyten ausgefüllt. Der Elektrolyt kann einerseits ein Fest- oder Flüssigelektrolyt, z. B. eine Salzlösung, sein. Vor­ zugsweise sollen die Hohlräume möglichst vollständig mit dem Elektrolyten ausgefüllt sein. Durch die vollständige Befüllung ist sichergestellt, daß sich dieselbe Ladung, die sich in der Raumladungszone im Metall oder Halbleiter befindet, auch im Elektrolyten in dessen typischer Raumladungszone verteilt.

An die freie, nicht auf der Elektrode aufliegende Oberfläche der perkolierende Schicht grenzt außerdem ein Film des Elektro­ lyten an. Dieser Film kann einerseits unmittelbar auf der Schicht aufgebracht sein; alternativ kann eine dünne, z. B. 0,1 bis 10 nm dicke Lage eines isolierenden Materials zwischen der Schicht und dem Film vorgesehen werden. In beiden Fällen sollte die Filmdicke ca. 1 bis 1000 µm betragen.

Schließlich sind bei der Vorrichtung Mittel vorgesehen, mit de­ nen sich zwischen der Elektrode und dem Elektrolyten eine Span­ nung anlegen läßt. Die Spannung soll einige Volt, vorzugsweise 1 bis 3 Volt, betragen. Spannungen über 10 V sind in der Regel unnötig.

Bei einer solchen Vorrichtung werden durch eine angelegte Span­ nung Elektronen aus dem Leitungsband des Metalls oder Halblei­ ters, der die schwammartige perkolierende Schicht bildet, ent­ fernt und wandern in den Elektrolyten. Infolge der Nanostruktur der schwammartigen Schicht befindet sich die überwiegende Zahl der Atome dieser Schicht an leicht zugänglichen Oberflächen, so daß bis zu 30% der Atome der Schicht Elektronen abgeben kön­ nen. Der dadurch erzielte Effekt kann in vielfältiger Weise ausgenutzt werden.

So können z. B. die optischen Eigenschaften durch Anlegen und Abschalten der Spannung verändert werden. Die Vorrichtung läßt sich daher als farbige oder schwarzweiße, großflächige Anzeige (Display), zur Lichtsteuerung, etwa zur automatischen Hellig­ keitsanpassung in Büro- oder Werkräumen, oder als schneller op­ tischer Modulator verwenden. Andererseits ändert der erwähnte Effekt auch die mechanischen Eigenschaften, so daß die Vorrich­ tung als Aktor oder Stellelement mit Volumenausdehnungseffekt eingesetzt werden kann. Denkbar ist weiterhin, bei diesem Ef­ fekt auftretende Phasenumwandlungen zu nutzen.

Die schwammartige perkolierende Schicht läßt sich nach mehreren Verfahren herstellen. Mögliche Herstellungsverfahren sind

• a) die Gasphasenkondensation, bei der das Metall oder der Halb­ leiter in einem Vakuumrezipienten verdampft wird, der mit Edelgas eines bestimmten Partialdrucks gefüllt ist. Bei ge­ eignet gewählten Verfahrensparametern entsteht das Netzwerk der schwammartigen Schicht durch Auffangen der dabei entste­ henden Nanopartikel auf einer gekühlten Unterlage;
• b) das Auslaugen aus einem Mischkristall oder einem mehrphasi­ gen Glas. Hierbei wird eine spinodale Entmischung eines Io­ nenkristalls in zwei Phasen, z. B. eine calciumreiche und eine bariumreiche Phase, ausgenutzt. Diese beiden Phasen sind in der beschriebenen Weise schwammartig strukturiert.
  Wegen der unterschiedlichen Löslichkeit in geeigneten Lö­ sungsmitteln läßt sich eine der beiden Phasen herauslösen und man erhält das gesamte Netzwerk;
• c) die elektrochemische Abscheidung. Durch geeignete Abscheide­ bedingungen gelingt die Abscheidung von Metallen in einer schwammartigen Schicht auf einer Elektrode.

Claims (2)

1. Vorrichtung

• a) mit einer Elektrode,
• b) mit einer schwammartigen, perkolierend elektrisch leit­ fähigen Schicht aus miteinander verbundenen Nanoparti­ keln, die Hohlräume enthält und die die Elektrode zu­ mindest teilweise bedeckt, wobei die Größe der Nano­ partikel höchstens das 15-fache der Größe einer sich ausbildenden Raumladungszone in der Schicht beträgt,
• c) in der die Hohlräume zumindest teilweise mit einem Elektrolyten gefüllt sind, wobei die Hohlräume der Schicht größer sind als die Raumladungszone im Elek­ trolyten und
• d) in der der Elektrolyt außerdem einen Film bildet, der an die der Elektrode gegenüberliegende Oberfläche der Schicht angrenzt, sowie
• e) mit Mitteln, mit deren Hilfe sich zwischen der Elek­ trode und dem Elektrolyten eine Spannung anlegen läßt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der zwischen dem durch den Elektrolyten gebildeten Film und der Schicht eine Lage aus einem isolierenden Material vorgesehen ist.