Fraunhofer USA: Sneller opladen met diamanten

(Foto: Fraunhofer USA, Center Midwest)

Oplaadtijd voor EV’s verkorten

Onderzoekers van Fraunhofer USA hebben nano membranen ontwikkeld van synthetische diamant, waarmee ze de prestaties en levensduur van elektrische voertuigen willen verbeteren. Ook de laadtijd zou kunnen worden verkort.

Volgens Fraunhofer USA staat diamant bekend om zijn zeer goede warmtegeleiding – vier tot vijf keer hoger dan die van koper. Het materiaal is daarom bijzonder interessant voor het koelen van vermogenselektronica in elektrische mobiliteit, voor fotovoltaïsche of opslagsystemen. Tot nu toe worden daar koellichamen van koper- of aluminiumplaten gebruikt, die het warmte afgevende oppervlak van een warmte producerend onderdeel vergroten en zo schade door oververhitting voorkomen.

Dunner dan een haar

Wetenschappers van Fraunhofer USA Inc., Center Midwest CMW in East Lansing, Michigan, zijn er nu in geslaagd om nano membranen van synthetisch diamant te ontwikkelen die dunner zijn dan een mensenhaar. Het flexibele materiaal kan rechtstreeks worden geïntegreerd in elektronische componenten, zoals voor het koelen van vermogenselektronica in elektrische voertuigen, die bijvoorbeeld de tractie-energie van de batterij naar de elektromotor overbrengt en daarbij de stroom van gelijkstroom naar wisselstroom omzet. Volgens de onderzoekers hebben de flexibele, elektrisch isolerende nano membranen het potentieel om de lokale warmtebelasting van elektronische componenten zoals stroomregelaars in elektromotoren tot tien keer te verminderen.

Hierdoor zouden de energie-efficiëntie, levensduur en prestaties van elektrische voertuigen aanzienlijk kunnen verbeteren. Bovendien kunnen de diamanten membranen naar verluidt de laadsnelheid in de laadinfrastructuur tot vijf keer verhogen, aldus de wetenschappers.

Diamantmembraan in plaats van isolerende tussenlaag

Normaal gesproken verbetert een onder het onderdeel aangebrachte koperlaag de warmtestroom – en tussen het koper en het onderdeel bevindt zich een elektrisch isolerende oxide- of nitridelaag. Deze laag geleidt warmte echter slecht.

“We willen deze tussenlaag vervangen door ons diamant-nanomembraan, dat de warmte uiterst effectief naar het koper overdraagt, omdat diamant kan worden verwerkt tot geleidende banen”, legt Dr. Matthias Mühle, hoofd van de Diamanttechnologiegroep bij Fraunhofer USA Center Midwest CMW, uit, en voegt toe: “Omdat ons membraan flexibel en vrijstaand is, kan het op elk gewenst moment op het onderdeel of het koper worden geplaatst of rechtstreeks in het koelcircuit worden geïntegreerd.”

Ontstaansproces

Volgens het onderzoeksteam wordt de polykristallijne diamant-nanomembraan naar eigen zeggen gekweekt op een aparte siliciumwafer. Vervolgens wordt deze losgemaakt, omgedraaid en wordt de achterkant van de diamantlaag weggeëtst. Zo ontstaat er een vrijstaande, gladde diamant die bij een lage temperatuur van 80 graden Celsius kan worden verwarmd en vervolgens op het onderdeel kan worden geplaatst. Volgens Mühle hecht de micron-dikke membraan zich automatisch aan het elektronische component door de warmtebehandeling. De diamant is dan niet langer vrijstaand, maar geïntegreerd in het systeem.

Voor welke toepassingen?

Volgens Fraunhofer USA kan de nanomembraan op waferschaal (4 inch en groter) worden gerealiseerd en is deze daarom geschikt voor industriële toepassingen. De ontwikkeling is volgens de wetenschappers gepatenteerd. In 2024 zouden applicatietests met omvormers en transformatoren onder andere in elektromobiliteit of telecommunicatie van start gaan.

Bronvermelding en foto’s: Fraunhofer USA