Pacemakers, defibrillatoren, radartechnologie en elektrische voertuigen hebben allemaal condensatoren nodig. Deze elektrische componenten moeten veel energie kunnen opslaan en afgeven in een paar microseconden. Onderzoekers van de Universiteit Twente hebben onlangs een manier gevonden om de opslag, efficiëntie en duurzaamheid van deze condensatoren te vergroten.
Pacemakers zijn medische apparaten die ervoor zorgen dat iemands hart klopt zoals het hoort. Als het hartritme niet goed is, geeft de pacemaker een stroomstoot af om het hart weer in het juiste ritme te krijgen. De pacemaker houdt rekening met inspanning en geeft snellere pulsen als dat nodig is. Bijvoorbeeld wanneer je sport. Voor deze elektrische pulsen heeft de pacemaker een condensator nodig die snel oplaadt en ontlaadt. Dit zorgt voor een elektrische lading die hoog genoeg is om het hart te 'resetten'.
Miljarden keren opladen
Onderzoeker Minh Duc Nguyen en zijn collega's werkten aan een nieuwe ontwerpstrategie voor deze condensatoren. Daarmee wilden ze de energieopslag verbeteren, de hoeveelheid energie die verloren gaat bij elke keer opladen of ontladen verminderen en het aantal keren dat ze betrouwbaar kunnen opladen en ontladen verhogen. "Het moet je hartslag kunnen bijhouden, dus ze moeten miljarden keren kunnen opladen en ontladen. Anders moet je de pacemaker elke paar maanden vervangen", legt Nguyen uit.
Efficiënte condensator
Nguyen en zijn team werken aan een type condensator dat bestaat uit meerdere dunne lagen van verschillende materialen. Door lagen toe te voegen konden ze de efficiëntie tot meer dan 90% verhogen. Dit betekent dat er minder dan 10% van de elektrische lading verloren gaat tijdens het opladen. Dat is twee keer minder energieverlies vergeleken met de traditionele ontwerpen. De condensator blijft werken onder veel verschillende temperaturen (van 25-200 °C) en kan tot tienmiljard keer opladen en ontladen. Genoeg om dit één keer per seconde te doen voor meer dan 300 jaar.
Regels voor ontwerpoptimalisatie
De onderzoekers bedachten regels voor ontwerpoptimalisatie voor de combinatie van materialen die ze gebruikten. "Deze regels zullen naar verwachting ook nuttig zijn voor het optimaliseren van andere meerlagige systemen. Daarom zijn ze zeer relevant voor het verder verhogen van de hoeveelheid energie die de condensatoren kunnen opslaan", schrijven ze in hun publicatie. Dit is een belangrijke stap op weg naar nog betere condensatoren.
Meer informatie
Dr. Minh Duc Nguyen is senior onderzoeker bij de onderzoeksgroep Inorganic Materials Science (IMS; Faculty TNW/MESA+), geleid door Prof. Guus Rijnders. Zijn onderzoek richt zich op de fabricage van ferro-elektrische en piëzo-elektrische dunne films voor biomassasensoren, trillingsenergie-oogsters en pulserende energieopslagcondensatoren. Het onderzoek met de titel 'Towards Design Rules for Multilayer Ferroelectric Energy Storage Capacitors - A Study Based on Lead-Free and Relaxor-Ferroelectric/Paraelectric Multilayer Devices' is gepubliceerd in het prestigieuze wetenschappelijke tijdschrift Advanced Materials.
