Hervorragende Kühlleistung: Diamanten lassen Elektroautos schneller laden

Elektronische Bauteile werden immer komplexer und müssen deshalb auch eine höhere Leistungsdichte aufweisen. Damit verbunden ist auch eine erhöhte Produktion von Abwärme. Neue Materialien können dabei helfen, den damit einhergehenden Herausforderungen zu begegnen. So haben Forscher:innen von Fraunhofer USA, einer Auslandsgesellschaft der Fraunhofer-Gesellschaft, etwa hauchdünne Nanomembranen aus synthetischem Diamant entwickelt, die sich in elektronische Bauelemente integrieren lassen. Die dünnen Membranen können die Wärmebelastung um etwa das Zehnfache reduzieren. So könnten etwa die Fahrleistung und Lebensdauer von Elektroautos verlängert werden. Aber auch ein schnelleres Aufladen von Batterien wäre möglich.

Diamanten als wärmeleitendes Material

Diamanten zeichnen sich unter anderem durch eine unerreichte Wärmeleitfähigkeit aus. Diese ist etwa vier- bis fünfmal so hoch als die von Kupfer, was Diamanten zu einem interessanten Material für die Kühlung von Leistungselektronik in der Elektromobilität macht. Aber auch die Photovoltaik oder elektronische Speichersysteme sind mögliche Einsatzgebiete. Bislang werden in diesen Bereichen Kühlkörper aus Kupfer- oder Aluminiumplatten eingesetzt, um Beschädigungen und Überhitzungen von wärmeproduzierenden Komponenten zu verhindern. Forscher:innen der Fraunhofer USA Inc., Center Midwest CMW in East Lansing in Michigan haben eine neue Lösung für die Kühlung von Komponenten entwickelt: Nanomembranen aus synthetischem Diamant, die dünner sind als ein menschliches Haar. Dieses flexible Material kann direkt in elektronische Bauteile integriert werden und etwa in Elektroautos Komponente kühlen, die die Traktionsenergie von der Batterie in den Elektromotor weiterleiten. Die Nanomembranen sind nicht nur flexible, sondern auch elektrisch isolierend und können die lokale Wärmebelastung von elektronischen Komponenten wie etwa Stromreglern um das Zehnfache reduzieren. So könnten etwa Faktoren wie die Energieeffizienz, Lebensdauer und Fahrleistung von Elektroautos deutlich verbessert werden. Außerdem können die Membranen die Ladegeschwindigkeit von Batterien um etwa den Faktor 5 erhöhen, wenn sie in die Ladeinfrastruktur integriert werden.

Erste Tests noch dieses Jahr

Normalerweise wird der Wärmefluss von einer unter dem Bauteil befindlichen Kupferschicht verbessert, die mittels einer elektrisch isolierenden Oxid- oder Nitridschicht vom Bauteil getrennt wird. Allerdings weist diese Schicht lediglich eine schlechte Wärmeleitung auf. „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. Da unsere Membran flexibel und freistehend ist, lässt sie sich beliebig am Bauteil oder am Kupfer positionieren oder direkt in den Kühlkreislauf integrieren„, erklärt Dr. Matthias Mühle, Leiter der Gruppe Diamanttechnologien am Fraunhofer USA Center Midwest CMW.

Um dies zu erreichen, haben Mühle und sein Team die Diamant-Nanomembran auf einem separaten Siliziumwafer wachsen lassen. Anschließend wird die Membran abgelöst und umgedreht, woraufhin dann die Rückseite der Diamantschicht weggeätzt wird. Es entsteht damit ein freistehender, glatter Diamant, der auf 80 Grad erhitzt werden und auf das jeweilige Bauteil aufgesetzt werden kann. Die Wärmebehandlung sorgt für eine ausreichend starke Verbindung zwischen Membran und Bauteil. Die Nanomembran der Forscher:innen ist auch für Industrieanwendungen geeignet. Das Team hat die Technologie bereits zum Patent angemeldet – erste Applikationstests in Anwendungsfeldern wie der Elektromobilität sollen noch dieses Jahr erfolgen.

via Fraunhofer-Gesellschaft

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