WO2004004026A2 - Verfahren zur herstellung von superkondensatoren - Google Patents

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Definitions

  • the energy storage devices are independent of stationary sources and are therefore used to power electrical drives in mobile traffic (road, rail, ship and aerospace), primarily as an energy substitute for fossil fuels.
  • the highly concentrated loss-free storage capacity of the materials also allows use in domestic technology for the temporary storage and transport of e.g. energies obtained through solar technology.
  • the materials also enable the construction of new types of electronic components.
  • the lossless, rapid discharge of the electrically stored energy also allows it to be used as an explosive device.
  • the new storage facility allows electrical energy to be stored in the same weight-specific range as chemical energy. Values in the range from 1 to over 15 MJ / kg can be achieved.
  • the materials of the new storage allow unlimited charging and discharging cycles; the materials do not wear out.
  • the new storage works loss-free when loading and unloading.
  • the memory is robust against shocks, extreme accelerations and extreme temperatures, as is the positioning of the room.
  • the invention makes use of a physical effect which consists in the fact that very small amounts of dipolar crystals, for example Ti02 (high electronegativity) in an insulating medium / matrix, for example Si02 or polymer resins, due to a strong electrostatic field and at a critical voltage (charging conditions) become electrically conductive (semiconductors) through virtual photon resonance (a new kind of quantum physical effect) and thereby absorb energy, which is stored analogously to a plate capacitor by counteracting polarization.
  • the memories can be designed with voltages from a few volts to a few thousand volts. The storage capacity is only limited by the design. 15.3.
  • the storage crystals such as Ti02, SrTi03 or the like, are applied to a support surface in the size of a few nm either as a grain or as a layer together with the insulating medium.
  • rutile There are special requirements for the expansion of the crystals, above all the "rutile" type is necessary.
  • Two methods are used: a) A mixture of crystals and polymer resin is first dispersed and then by electrostatic spray technology onto a composite film consisting of a sandwich made of metal and polymer film, which is either flat or stretched on a tube-like body and is continuously moved, sprayed in. The metal film isolated in the composite forms the counterelectrode.
  • the insulation of the polymer prevents the charges from flowing off after impact together with the counterelectrode an electric field, which exerts strong surface forces due to the capacitive effect. These surface forces produce geometrically precise shapes, in the case of the tube exactly round layers and exact layer thicknesses Ensure no-shift layers.
  • the electrostatic field also causes the geometrical alignment of the dipoles.
  • the resin is cured by radiation curing in a protective atmosphere or by thermal curing.
  • the coated film is then cut open and shaped into a layer capacitor.
  • the layers can either be laid flat on top of each other or rolled up. Alternately, the metallic parts of the foils are connected and thereby form the positive and negative poles of the memory.
  • the storage bodies are covered with insulating materials and the electrodes are guided to external terminals.
  • a film capacitor made planar with foils, if made extremely long and with few layers, can be used as a highly flexible flat conductor with an almost infinite bandwidth for the connection between source and battery.

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Abstract

Ein Verfahren, mit dem sich sog. Quanten Batterien (Super Capacitors) realisieren lassen, aus Materialien, bestehend aus chemisch stark dipolaren Kristallen in Form von nanometergrossen Körnern oder Schichten, eingebettet in elektrisch isolierenden Matrixmaterialien oder Zwischenschichten, aufgetragen auf Verbundfolien oder auf feste flache Unterlagen, die zu Wickel- oder Flachkondensoren aufgebaut, die elektrische Energie aufgrund des Effektes der virtuellen Photonenresonanz im Bereich von bis über 15 MJ/kg verlustlos speichern können.

Description

Verfahren zur Speicherung von elektrischer Energie in sog. „Quantum Batterien"
Beschreibung
Konzentrierte Speicherung von elektrischer Energie in Materialien mit besonderen elektrischen Eigenschaften, die in Form von Batterien sog. „Super Capacitors bzw. Quantum Batteries " für den stationären wie beweglichen Einsatz geeignet sind, sowie als Energie-Speicherkörper, wo die schnelle Freisetzung der Energie wichtig ist.
1.2 Technisches Gebiet
Die Energiespeicher sind unabhängig von stationären Quellen und werden deshalb zur Speisung von elektrischen Antrieben im mobilen Verkehr (Strasse, Bahn, Schiff sowie Luft- und Raumfahrt) eingesetzt vor allem als Energie-Ersatz von fossilen Treibstoffen. Die hochkonzentrierte verlustfreie Speicherfähigkeit der Materialien erlaubt auch die Anwendung in der Haustechnik zur Zwischenspeicherung und Transport von z.B. durch Solar-Technik gewonnenen Energien. Die Materialien ermöglichen ebenso den Bau von neuartigen elektronischen Bauteilen. Die verlustfreie rasche Entladung der elektrisch gespeicherten Energie erlaubt auch den Einsatz als Sprengkörper.
1.3. Stand der Technik
Bisher stand die Speicherung von elektrischer Energie hinsichtlich des spezifischen Gewichtsbedarfs, der Speicherung von z.B. chemischer Energie sehr weit hinten nach, was vor allem den Einsatz im mobilen Verkehr benachteiligte. Dies führte zu einem übermässigen Verbrauch unersetzbarer, chemisch gespeicherter Energie in Form von fossilen Brennstoffen. Bei der technischen Speicherung und Entladung von chemischer Energie z.B. mittels Bleibatterien muss ein erheblicher Innenwiderstand überwunden werden, was sich durch Wärme-Verluste bzw. Einschränkung der Lade- und Entladegeschwindigkeit negativ äussert.
Die bisherigen sog. Super Capacitors werden auf der Grundlage von anderen physikalischen Effekten entwickelt. Sie können z.T. nur auf sehr geringen Spannungen betrieben werden, sind sehr schlagempfindlich und zeigen grosse Innenwiderstände. Zudem sind ihre spezifischen Speicherkapazitäten um Grössenordnungen kleiner.
1.4. Detaillierte Darstellung
1.4.1. Vorteile
Der neue Speicher erlaubt die Speicherung von elektrischer Energie in der gleichen gewichtsspezifischen Grössenordnung wie chemische Energie. Es können Werte im Bereich von 1 bis über 15 MJ/kg erreicht werden. Die Materialien des neuen Speichers erlauben unbegrenzte Lade- und Entladezyklen; die Materialien nutzen sich dabei nicht ab. Der neue Speicher arbeitet verlustfrei bei der Ladung wie bei der Entladung. Der Speicher ist robust gegen Erschütterungen, extreme Beschleunigungen und extreme Temperaturen, ebenso ist die Raumpositionierung belanglos.
1.4.2. Grundlage der Erfindung
Die Erfindung macht sich einen physikalischen Effekt zu Nutzen, der darin besteht, dass sehr kleine Mengen aus dipolaren Kristallen z.B. Ti02 (grosse Elektronegativität) in einem isolierenden Medium/Matrix z.B. Si02 oder Polymerharze durch ein starkes elektrostatisches Feld und bei einer kritischen Spannung (Ladebedingungen) durch virtuelle Photonen- Resonanz (ein neuartiger quantenphysikalischen Effekt) elektrisch leitend werden (Halbleiter) und dadurch Energie aufnehmen, die analog einem Plattenkondensator durch gegenwirkende Polarisation gespeichert wird. Die Speicher können mit Spannungen von einigen wenigen Volt bis zu einigen Tausend Volt ausgeführt werden. Die Speicherkapazität ist nur durch die Bauform begrenzt. 15.3. Technische Ausführung
Die Speicherkristalle wie Ti02, SrTi03 oder ähnliche, werden in der Grosse von einigen nm entweder als Korn oder als Schicht zusammen mit dem isolierenden Medium auf eine Trägeroberfläche aufgetragen. Es bestehen besondere Anforderungen an den Ausbau der Kristalle, vor allem ist der Typus „Rutil" notwendig. Es kommen zwei Verfahren zur Anwendung: a) Ein Gemisch aus Kristallen und Polymerharz wird zuerst dispergiert und dann durch elektrostatische Spritztechnik auf eine Verbundfolie bestehend aus einem Sandwich aus Metall- und Polymerfolie, die entweder flach oder auf einem rohrähnlichen Körper aufgespannt ist und kontinuierlich bewegt wird, aufgespritzt. Die im Verbund isolierte Metall- Folie bildet die Gegenelektrode. Durch die Isolierung des Polymers können die Ladungen nach dem Auftreffen nicht abfliessen. Sie bilden zusammen mit der Gegenelektrode ein elektrisches Feld, welches über die kapazitive Wirkung starke Oberflächenkräfte ausübt. Diese Oberflächenkräfte bewirken geometrisch genaue Formen, im Falle des Rohres genau runde Schichten und genaue Schichtdicken. Ebenso entstehen durch die Oberflächenkräfte grosse hydraulische Drücke, die für kompakte lufteinschlussfreie Schichten sorgen. Das elektrostatische Feld bewirkt zudem die geometrische Ausrichtung der Dipole. Die Härtung des Harzes geschieht durch Strahlungshärtung in einer Schutzatmosphäre oder durch thermische Härtung. Die beschichtete Folie wird dann aufgeschnitten und zu einem Schichtkondensator geformt. Die Schichten können entweder plan aufeinander gelegt oder aufgerollt werden. Abwechslungsweise werden die metallischen Teile der Folien verbunden und bilden dadurch die positiven und negativen Pole des Speichers. b) Durch Chemical Vapor Deposition (CVD) oder Physical Vapor Deposition (PVD) werden auf eine planare Oberfläche, die mit einer elektrisch leitenden Schicht z.B. Platin versehen ist, abwechslungsweise zahlreiche sehr dünne Schichten aus den Speicherkristallen z.B. Ti02 und der Isolationsschicht z.B. Si02 aufgetragen. Durch geeignete Temperung bei bis zu 700 Grad C werden polykristalline Schichten erzeugt. Die zur Resonanz zu gelangenden Schichten vom Typus Rutil werden beim Aufdampfen durch Überlappung der darüberliegenden Isolierschicht jeweils sandwichartig eingeschlossen. Dadurch werden die Resonatorschichten nach dem abschliessenden Tempern bei über 800 Grad C während der nachfolgenden Abkühlungsphase wegen der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten infolge Delamination nicht abgelöst. Schliesslich erfolgt eine metallische Deckschicht. Beide Schichten bilden die Elektroden des Speichers. Es können auch mehrfache Schichtkombinationen aufgetragen werden.
Abschliessend werden die Speicherkörper mit isolierenden Materialien ummantelt und die Elektroden auf äussere Klemmen geführt.
Ein mit Folien planar gefertigter Schichtkondensator kann, wenn extrem lang und mit wenigen Schichten ausgeführt, als hochflexibler Flachleiter mit beinahe unendlicher Bandbreite für die Verbindung zwischen Quelle und Batterie eingesetzt werden.

Claims

Patentansprüche
Ein Verfahren zur Herstellung von sog. Super Capacitors, bzw. Quantum Battery, basierend auf dem 1. physikalischen Effekt wodurch elektrische Energie mittels photonenresonanzangeregten sehr kleinen chemisch dipolaren kristallinen Partikeln oder Schichten, die voneinander durch ein elektrisch isolierendes Medium getrennt sind und die das homogene elektrostatische Feld sehr kurzzeitig und lokal extrem stark konzentrieren und dabei sehr schnelle verlustfreie Ladungsausgleiche (Dirakstromstösse bei konstanter Spannung) bewirken, gespeichert wird, wobei die elektrischen Speicherschichten, als Gemisch aus flüssigem Verbindungsstoff z.B. Polymere und Nano-Kristallen, mittels elektrostatischen Spritzverfahren auf 2)vorgeformte und kontinuierlich bewegte Verbundfolien aufgetragen werden, wobei die eingeschlossene Metallfolie 3)die Gegenelektrode bildet und sich dadurch starke elektrische Felder bilden, wobei durch kapazitive Effekte starke Oberflächenkräfte entstehen, gekennzeichnet, dass sich dadurch formgenaue und kompakte Schichten bilden lassen und wobei sich dadurch die dipolaren Partikel auch elektrisch ausrichten und nach der Strahlungshärtung in einer Schutzatmosphäre 4.)positioniert bleiben, wonach die mit den besonderen elektrischen Material beschichteten und geschnittenen Folien zu 5.)Flachkondensatoren und bei extrem länglicher, dünner Ausführung auch als hochflexibles Verbindungsflachkabel mit beinahe unendlicher Bandbreite oder 6.)Wickelkondensatoren geformt werden, gekennzeichnet, dass die sehr formgenauen, homogenen und kompakten Schichten die Aufladebedingungen für eine Quantum Batterie garantieren und dass mit diesen Quantum Batterien 7.)elektrische Energie im Bereich von bis über 15 MJ/kg gespeichert werden kann. Gemäss Anspruch 1.) können die besonderen elektrischen Materialien auch mittels chemischen oder physikalischen Aufdampfverfahren auf ebene elektrisch leitende Trägerschichten als elektrische Speicherschichten und Isolationsschichten abwechslungsweise und jeweils 8.)überlappend aufgetragen und getempert werden, gekennzeichnet, dass dadurch entgegen unterschiedlicher thermischen Ausdehnung keine Delamination auftritt, und somit zusammen mit einer metallischen Deckschicht einen 9.)Schichtkondensor erzeugen, gekennzeichnet, dass dadurch sehr dünne und genaue Schichten die Aufladebedingungen für eine Quantum Batterie garantieren und dass mit diesen Quantum Batterien elektrische Energie bei Spannungen im Bereich von einigen wenigen V und bis mehrere kV im Bereich von bis über 15 MJ/kg gespeichert werden kann.
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