Dr. Till Frömling: HTL-NBT
Kondensatoren sind als elektrisches Bauelement unverzichtbare Ladungsspeicher. Der erhöhte Bedarf an Energie aus erneuerbaren Quellen, Energiespeicherung und steigende Elektrifizierung im Transportbereich ergeben für Kondensatoren neue Anforderungen. Derzeit erfüllt kein auf dem Markt verfügbares Material diese Anforderungen. Auf Basis eines neuen keramischen Materials wird im „NanoMatFutur“-Projekt HTL-NBT von Dr. Till Frömling an der Entwicklung entsprechender Kondensatoren gearbeitet.
Ladungsspeicher für eine saubere Elektromobilität
Im Automobil- und Luftfahrtbereich sollen schwere, hydraulische Systeme durch leichtere und wirtschaftlichere elektronische Lösungen ersetzt werden. Durch den Austausch der hydraulischen Systeme wird die Elektronik in Bereichen verbaut werden, in denen sie extremen Temperaturen und Temperaturschwankungen von -50°C bis über 300°C ausgesetzt sind. Die neuen Kondensatoren müssen nicht nur den extremen Temperaturen trotzen, sondern auch Leistungsspitzen und Leistungsschwankungen ausgleichen. Wird Energie aus erneuerbaren Quellen wie aus Sonnenlicht oder Wind gewonnen, so steht diese Energie meistens nicht kontinuierlich zu Verfügung. Die Sonne scheint nur tagsüber und Wind kann auch in starken Böen wehen. Deshalb sind die elektronischen Bauteile starken Leistungsschwankungen mit zum Teil extrem hohen Leistungsspitzen ausgesetzt. Gerade für die Elektromobilität muss das Material hohe Temperatur- und auch Leistungsanforderungen erfüllen. In Bezug auf Kondensatoren gibt es allerdings derzeit noch kein Material, das bei gleichzeitig hoher und stabiler Ladungsaufnahme diesen Temperatur- und Leistungsanforderungen ausreichend gewachsen wäre. Kondensatoren sind somit das Nadelöhr für zukünftige Anwendungen.
Im Automobil- und Luftfahrtbereich gibt es zusätzlich hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit des Materials. Die Kenntnis über Alterungsprozesse und die Haltbarkeit von Materialien ist hier besonders wichtig. Daher wird normalerweise auf schon bewährte Technologien aus weniger sicherheitsrelevanten Anwendungen zurückgegriffen. Es gibt keine bestehenden Anwendungen mit vergleichbaren keramischen Materialien, aus denen Erfahrungen in Bezug auf die Zuverlässigkeit abgeleitet werden können. Daher ist ein hohes Maß an Verständnis der grundlegenden physikalischen Eigenschaften von neuen Materialien notwendig.
Vielversprechende Materialien für Kondensatoren sind Keramiken. Hier stellen vor allem Keramiken aus den Elementen Natrium, Bismut, Titan und Sauerstoff aussichtsreiche Kandidaten dar. Allerdings sind dies neue und sehr komplexe Systeme. Die physikalischen Eigenschaften können bisher schwer eingeschätzt werden. Das ist im Hinblick auf die Bestimmung der Zuverlässigkeit und Alterung der Materialien besonders problematisch.
Ziel des NanoMatFutur-Projekts von Dr. Till Frömling ist ein keramisches Kondensatormaterial, das hohe Temperatur- und Leistungsanforderungen erfüllt. Zusätzlich soll es für industrielle Herstellungsprozesse optimiert werden. Die physikalischen Eigenschaften der hergestellten Keramiken werden ermittelt. Dadurch soll das Anwendungsspektrum, die Haltbarkeit und Zuverlässigkeit der Bauteile bestimmt werden.
Nachwuchsgruppenleiter Dr. Till Frömling
Till Frömling studierte Chemie an der Philipps-Universität Marburg und ging nach seinem Abschluss 2008 an die Technische Universität Wien zur Promotion. Er war dort Teil eines Christian-Doppler Labors in Kooperation mit der Firma EPCOS OHG und forschte an Elektrokeramiken. Danach arbeitete er zunächst in der Industrie bei Bosch Battery Systems an der Entwicklung von Lithiumbatteriesystemen für die Elektromobilität. Ende 2013 kehrte er aber wieder zurück in die akademische Forschung an die Technische Universität Darmstadt, wo er seit 2018 die „NanoMatFutur“-Nachwuchsgruppe „Hochtemperatur- und Hochleistungskondensatoren auf Basis von Natrium-Bismuth-Titanat“ leitet. Seine Expertise liegt im Bereich der Defektchemie von Oxidkeramiken.