Werbung
Werbung

Fraunhofer USA: Mit Diamanten schneller Laden

Forschende von Fraunhofer USA entwickelten Nanomembranen aus synthetischem Diamant, mit denen man die Fahrleistung und Lebensdauer von E-Fahrzeugen steigern will. Auch die Ladezeit könnte sich verkürzen.

Diamanten können nicht nur funkeln, sondern auch in verschiedenen Anwendungsfeldern zum Einsatz kommen - so sehen die entwickelten freistehenden Diamant-Nanomembranen aus. (Foto: Fraunhofer USA, Center Midwest)
Diamanten können nicht nur funkeln, sondern auch in verschiedenen Anwendungsfeldern zum Einsatz kommen - so sehen die entwickelten freistehenden Diamant-Nanomembranen aus. (Foto: Fraunhofer USA, Center Midwest)
Werbung
Werbung
Redaktion (allg.)
von Anna Barbara Brüggmann

Laut Fraunhofer USA zeichnet sich Diamant durch eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit aus – vier- bis fünfmal höher als die von Kupfer. Das Material sei daher besonders interessant für die Kühlung von Leistungselektronik in der Elektromobilität, für Photovoltaik oder Speichersysteme. Bislang kämen dort Kühlkörper aus Kupfer- oder Aluminiumplatten zum Einsatz, welche die wärmeabgebende Oberfläche eines wärmeproduzierenden Bauteils vergrößern und so einer Beschädigung durch Überhitzung vorbeugen.

Dünner als ein Haar

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern von Fraunhofer USA Inc., Center Midwest CMW in East Lansing in Michigan, ist es nun gelungen, Nanomembranen aus synthetischem Diamant zu entwickeln, die dünner sind als ein menschliches Haar. Das flexible Material lasse sich direkt in elektronische Bauteile integrieren, etwa zur Kühlung der Leistungselektronik in Elektrofahrzeugen, die dort beispielsweise die Traktionsenergie von der Batterie in den E-Motor weiterleitet und dabei den Strom von Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt. Die flexiblen, elektrisch isolierenden Nanomembranen haben den Forschern zufolge das Potenzial, die lokale Wärmebelastung der elektronischen Komponenten wie Stromregler in Elektromotoren um das Zehnfache zu reduzieren.

So sollen sich Energieeffizienz, Lebensdauer und Fahrleistung von E-Fahrzeugen deutlich verbessern lassen. Darüber hinaus könnten die Diamantmembranen in der Ladeinfrastruktur zu einer fünffach höheren Ladegeschwindigkeit beitragen, teilten die Wissenschaftler mit.

Diamantmembran statt isolierender Zwischenschicht

Regulär verbessere eine unter dem Bauteil angebrachte Kupferschicht den Wärmefluss – und zwischen Kupfer und Bauteil befindet sich eine elektrisch isolierende Oxid- oder Nitridschicht. Diese leite Wärme jedoch schlecht.

„Diese Zwischenschicht wollen wir durch unsere Diamant-Nanomembran ersetzen, die die Hitze höchst effektiv an das Kupfer weiterleitet, da Diamant zu leitenden Bahnen verarbeitet werden kann“, erläutert Dr. Matthias Mühle, Leiter der Gruppe Diamanttechnologien am Fraunhofer USA Center Midwest CMW, und ergänzt: „Da unsere Membran flexibel und freistehend ist, lässt sie sich beliebig am Bauteil oder am Kupfer positionieren oder direkt in den Kühlkreislauf integrieren.“

Entstehungsprozess

Das Forschungsteam lässt nach eigenen Angaben die polykristalline Diamant-Nanomembran auf einem separaten Siliziumwafer wachsen. Anschließend wird sie abgelöst, umgedreht und die Rückseite der Diamantschicht weggeätzt. So entstehe ein freistehender, glatter Diamant, der sich bei einer Niedrigtemperatur von 80 Grad Celsius aufheizen und nachträglich auf das Bauteil aufsetzen lässt. Laut Mühle verbindet sich durch die Wärmebehandlung die mikrometerdicke Membran automatisch mit der elektronischen Komponente. Der Diamant sei dann nicht mehr freistehend, sondern ins System integriert.

Für welche Anwendungen?

Nach Angaben von Fraunhofer USA lässt sich die Nanomembran im Wafer-Maßstab (4 Zoll und mehr) realisieren und eigne sich so für Industrieanwendungen. Die Entwicklung ist den Wissenschaftlern zufolge zum Patent angemeldet. Noch 2024 sollen Applikationstests mit Invertern und Transformatoren unter anderem in der Elektromobilität oder der Telekommunikation starten.

Werbung
Werbung