WO2004030210A1 - Aktuator mit nanotubes, insbesondere carbon-nanotubes, schichten aus kohlenstoff-nanotubes sowie ihre herstellung und anwendung - Google Patents

Aktuator mit nanotubes, insbesondere carbon-nanotubes, schichten aus kohlenstoff-nanotubes sowie ihre herstellung und anwendung Download PDF

Info

Publication number
WO2004030210A1
WO2004030210A1 PCT/EP2003/010158 EP0310158W WO2004030210A1 WO 2004030210 A1 WO2004030210 A1 WO 2004030210A1 EP 0310158 W EP0310158 W EP 0310158W WO 2004030210 A1 WO2004030210 A1 WO 2004030210A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
nanotubes
actuator
layer
layers
electrolyte
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2003/010158
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ivica Kolaric
Uwe Vohrer
Jerome Fraysse
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority to AU2003277854A priority Critical patent/AU2003277854A1/en
Publication of WO2004030210A1 publication Critical patent/WO2004030210A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y10/00—Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y15/00—Nanotechnology for interacting, sensing or actuating, e.g. quantum dots as markers in protein assays or molecular motors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G7/00—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for
    • F03G7/008—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for characterised by the actuating element
    • F03G7/012—Electro-chemical actuators
    • F03G7/0121—Electroactive polymers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G7/00—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for
    • F03G7/025—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for characterised by its use
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G7/00—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for
    • F03G7/029—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for characterised by the material or the manufacturing process, e.g. the assembly
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N11/00—Generators or motors not provided for elsewhere; Alleged perpetua mobilia obtained by electric or magnetic means
    • H02N11/006—Motors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2250/00—Geometry
    • F05B2250/80—Size or power range of the machines
    • F05B2250/84—Nanomachines

Definitions

  • the present invention relates to actuators based on nanotubes, in particular micromechanical actuators made of carbon nanotubes, layers made of nanotubes (bucky paper), their manufacture and use.
  • actuators or microactuators ie the smallest systems for converting electrical into mechanical energy (“artificial muscles”), which are based on new materials such as ceramic systems, piezoelectric polymers.
  • ren ren, electrostrictive polymers, polyelectrolytic polymers, conductive polymers and nanotubes.
  • Actuators generally comprise at least two electrodes and at least one layer which changes their expansion in at least one dimension due to the influence of electrical energy.
  • SWNT single-wall nanotubes
  • Single-wall nanotubes are perfect carbon tubes with a diameter of a few nanometers and a length in the micro to millimeter range. The changes in length and diameter of the nanotubes are based on the change in the length of the carbon-carbon bond as a function of the amount of charge injected as a result of quantum mechanical processes.
  • a change in length of approx. 1% can be achieved with nanotubes by applying a voltage.
  • Carbon nanotubes are characterized by excellent mechanical and thermal properties. In contrast to polymer actuators, which show no actuation even at temperatures of 70 ° C, they are stable up to 750 ° C or even up to 2,800 ° C in a vacuum. It is also assumed that they are biocompatible, which enables their use in medical technology. In addition, far greater forces can be generated with carbon nanotubes than is the case with the previously known polymer and piezo actuators. In principle, carbon nanotubes can also be operated with a very low supply voltage of 1 volt, whereas supply voltages of 70-300 V are required for polymer actuators and supply voltages of up to 1000 V are required for piezo actuators. Furthermore, the carbon nanotubes show no overshoot behavior.
  • bucky paper a suspension of nanotubes on a PTFE filter is subjected to vacuum filtration and then the dried nanotube paper (bucky paper) is removed from the filter.
  • Bucky papers with a statistical arrangement of the nanotubes are obtained by this method.
  • the previously known nanotube actuators have an insufficient actuation amplitude, i.e. too little change in the longitudinal and transverse axis of the nanotubes in the bucky paper and too little force. So far, developments in the field of bucky paper and nanotubes have essentially been limited to basic research.
  • the object of the present invention is to provide actuators with better actuation characteristics, in particular larger actuation sample situations and higher actuation speeds, and to specify methods of their production and use.
  • the invention therefore provides for the nanotubes to be arranged essentially at least partially in a preferred direction in the paper plane with respect to their longitudinal axis in relation to the preferred direction of the nanotubes in the be oriented essentially at an angle of less than 90 °, preferably less than 60 ° and particularly preferably 'less than 45 °, up to the parallel arrangement.
  • Carbon nanotubes in particular single-wall nanotubes made of carbon, are preferably used in the context of the present invention.
  • multi-wall carbon nanotubes or even nanotubes made of other elements or compounds such as boron nitride (BN), metal sulfides (MoS 2 , WS 2 ) or metal oxides (eg V 2 O 5 ) use.
  • BN boron nitride
  • MoS 2 , WS 2 metal sulfides
  • WS 2 metal oxides
  • all tube-shaped materials can be used that show mechanical deflection when electrical quantities, such as voltage or current, are applied.
  • bucky papers As far as the term “bucky papers” is used below, it includes not only layers made of carbon nanotubes, but also layers made of other nanotubes.
  • a further improvement in the actuation behavior of actuators made of carbon nanotubes can be achieved if the bucky paper is largely free of impurities such as fullerenes, graphite particles and catalyst additives, since these impurities contribute to poor actuation behavior.
  • the impurities can be removed by hydrothermal oxidative processes and subsequent treatment in acids.
  • the purity of the nanotube paper should be at least 60%, preferably at least 80%.
  • the alignment of the nanotubes in the bucky paper can take place during the manufacture of the bucky paper by aligning the nanotubes using physical or chemical methods.
  • the nanotubes can be aligned in a surfactant suspension by an electrical, magnetic and / or electromagnetic field and / or under the influence of ultrasound. Sedimentation carried out under these conditions or transfer to a suitable substrate, based on the Langmuir-Blodgett technique, enables a higher degree of alignment.
  • the alignment of the nanotubes can also be carried out by rotation methods, in which the nanotubes in a suspension are aligned by rotation essentially along their longitudinal axis and the aligned nanotube layer is then skimmed off or transferred to a carrier and dried.
  • the actuation amplitude and the actuation speed can be increased by suitable selection of the electrolytes.
  • Electrolytes with large anions are preferably used if the bucky papers are connected to the positive pole and electrolytes with large cations if the bucky papers are connected to the negative pole.
  • the type of electrolyte also has an influence on the actuation speed.
  • fast ioneri i.e. highly charged, smaller ions, the actuation speed can be increased.
  • the electrolytes from the group of the alkali and alkaline earth salts, but also aluminum salts or metal salts of the halides, nitrates, sulfates, phosphates, hydrogen phosphates, dihydrogen phosphates, halogenates and perhalates, hydroxides, acetates, oxalates or - to the extent that they are stable - theirs Acids selected such as LiCl, NaCI, KCI or the corresponding fluorides, NaNO 3 / Na 2 S0 4 , Na 3 P0 4 , NaCIO 3 , NaCIO 4 or the corresponding lithium or potassium salts or alkaline earth salts.
  • Electrolyte mixtures can also be used for optimization.
  • Gel-like, highly viscous electrolytes such as polyelectrolytes, ionomers or hydrogels swollen with electrolyte, can also be used to adjust the viscosity, for example.
  • the concentration of the electrolyte in the solvent is preferably between 0.1 and 5 mol / l, particularly preferably 0.2 to 2 mol / l.
  • the Na 2 SO 4 concentration in the aqueous solution is preferably between 0.5 and 2 mol / l, particularly preferably about 1 mol / l.
  • the phosphate concentration in the aqueous solution is preferably between 0.1 and 1 mol / l, particularly preferably about 0.5 mol / l.
  • the solubility can be varied if necessary by adjusting the pH.
  • the phosphates for example Na 2 HP0 4 , additionally have a higher viscosity in aqueous solution, so that sealing problems when using the in-case technology in multilayers are reduced at the point of the plunger. Particularly good results were achieved with an approximately 1 m aqueous Na 2 SO 4 as the electrolyte.
  • the chemical reactivity, in particular the corrosion, of Na 2 S0 4 as electrolyte is reduced compared to saline.
  • a preferred embodiment of an actuator provides for stacking several thin layers comprising nanotubes, preferably very thin layers of the bucky paper, into multilayers until the desired actuator thickness is reached.
  • Very thin layers of the bucky paper are layers of at least one monolayer, preferably several monolayers, preferably in the range between 100 nm and 100 ⁇ m. Thicknesses down to the millimeter range are also possible.
  • Multilayers are understood to mean at least two, preferably at least 5 and particularly preferably at least 10, nanotube layers stacked one above the other. In principle, there is no restriction regarding the maximum thickness of the actuator.
  • a preferably porous contacting layer can be provided between the bucky paper layers, also to allow the electrolyte to pass through quickly. Without a contacting layer, the efficiency of the multilayer stack is reduced since the bucky paper itself yields under load at first.
  • the rigid contact layer serves as a counter bearing for the actuation.
  • an advantage of contacting is faster actuation, since the entire surface of the bucky paper is contacted.
  • Areas of application for multilayers with a contacting layer are, for example: Fast and powerful actuators, such as B. Actuators.
  • the contacting layer can consist of an electrically conductive material.
  • electrically conductive materials are metals such as, in particular, noble metals such as silver, gold, platinum, copper, but also aluminum, electrically conductive polymers and others.
  • the materials can be rolled or glued onto the bucky paper as a film. It is also possible to sputter, evaporate, CVD or PVD the metal layer
  • the bucky paper can also be grown on a metal layer.
  • the thickness of the contacting layer is preferably between 1 Dm and 100 Dm, preferably about 5 to 10 Dm, in order to meet the requirements of both a thin and a rigid layer, which of course depends on the respective properties of the contact material.
  • the multilayer technique can be used both in the previously known and in the bucky paper according to the invention, the latter being preferred.
  • the actuation force can be multiplied by the number of individual layer layers of the bucky papers.
  • a preferred embodiment provides for contacting each individual contacting film in the multilayer at its end which extends beyond the individual bucky paper layers.
  • Another embodiment provides for the multilayer stack to be built up concentrically or according to the onion principle. This achieves great strength and rapid actuation, so that specific use of actuation through multilayer technology, e.g. B. radial, axial, linear.
  • Such an actuator in a multi-layer arrangement can be controlled without electrolyte by direct electrical contacting, it being preferred, but not absolutely necessary, to connect the bucky paper layer to the minus and the contacting layer to the positive pole.
  • An actuator based on the multilayer technology can also be used in an electrolyte, preferably the electrolyte according to the invention.
  • the contacting layers - like the bucky paper layers - are preferably porous.
  • the application of the actuator based on the multilayer technology is preferably based on the in-case (envelope) technology.
  • Bucky paper and the contacting layers are integrated in an electrolyte to form an actuator strand in a casing.
  • the individual bucky paper layers can be contacted using bonding technology.
  • the shell can preferably be changed in at least one dimension, in particular in a main direction of movement of the actuator.
  • the sheath can be designed, for example, as a sealing tube made of polymeric, electrolyte-resistant material, in particular as a polymer housing.
  • the liquid electrolyte should not have a viscosity that is not too low to prevent it from running out of the plug where the force is taken off. Leakage problems can thus be reduced by suitable selection of the electrolyte. Adequate tightness was achieved, for example, with saturated NaH 2 P0 4 .
  • actuators for short distances can be provided.
  • the conversion from electrical to mechanical energy can also be reversed, so that the actuators based on the multilayer technology can also be used, for example, as a load cell, that is to say that a force acting on the stack causes a change in voltage, which is measured and from which the force is generated is determined.
  • the bucky paper can be kept free of ions during the relaxation phase if an additional relaxation electrode is used. Both the force and the speed of the actuator can thus be positively influenced.
  • the actuation characteristic of the actuators also depends on the type of electrical actuation of the actuator.
  • the actuator is preferably controlled by changing the voltage. In principle, however, it is also possible to provide a current-controlled control.
  • the current-controlled control has the advantage that a greater force can be achieved.
  • the actuation amplitude can also be increased by an electrical polarity corresponding to the electrolyte. This can be achieved by a specific change in the electrical polarity on the software side or also by means of a flip-flop circuit.
  • Bucky paper with round geometries is preferably used.
  • Elongated or streaked Shaped geometries of the bucky paper are less suitable, but their use is possible in principle.
  • the actuator is provided in a protective housing, the protective housing absorbing shear forces and shear forces on the actuator being avoided.
  • protective housings can be made, for example, of stainless steel or high-performance polymers, such as PEEK.
  • the amplitude of the acuations and the maximum force are preferably additionally increased using special kinematics.
  • Lever geometries or special geometries and arrangements of the bucky paper in space, such as folding or spiral form, can be used to increase the path or force.
  • the actuation characteristic can be further improved by increasing the ion velocity by choosing a geometrically close arrangement of the electrodes and their insulation.
  • the electrolyte pools can be designed in the form of Venturi tubes. It is also possible to generate electric fields in a targeted manner, on the orbits of which the ions move particularly quickly.
  • the actuator according to the invention is considerably lighter than alloys. It also has a high temperature resistance, the raw material carbon is inexpensive. The dimensions are also small and the efficiency is high.
  • Areas of application of the actuator according to the invention include robotics, medical technology, micropositioning technology, the automotive industry, aerospace, precision engineering, production technology and measurement technology.
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of a bucky paper multilayer
  • S4341b.doc 4 shows a schematic illustration of a bucky paper multilayer in in-case technology
  • FIG. 5 shows a schematic illustration of a bucky paper
  • SWNT single-wall nanotubes made of carbon, which are shown schematically in FIG. 1, are perfect carbon tubes with a diameter of a few nanometers and a length in the micrometer range. Manufacturing processes for these nanotubes are known in the prior art (e.g., Science 1340 (1999) with further references).
  • the nanotubes are not arranged statistically in the layer of the bucky paper, but instead have a preferred orientation in the layer averaged over the nanotube arrangements, as the schematic plan view of the bucky paper according to the invention in FIG. 2 shows.
  • the angle between the longitudinal axes of the nanotubes and the preferred direction is essentially less than 90 °, preferably less than 60 ° and particularly preferably less than 45 °, up to a particularly preferred arrangement in which the longitudinal axes are oriented essentially parallel to the preferred direction are.
  • the layer preferably comprises additives which, for example, increase the adhesion and / or flexibly embed the nanotubes.
  • the arrangement of the bucky paper in the form of multilayers according to the invention is shown in FIG. 3.
  • the bucky paper 11, which preferably each consist of a few monolayer-thick layer of the essentially aligned nanotubes shown in FIG. 2, are stacked to the desired actuator thickness d.
  • Contacting layers 12 made of electrically conductive materials are located between the individual bucky paper layers.
  • FIG. 4 The use of the actuators in multilayer technology with electrolyte in the in-case technology is shown in FIG. 4.
  • the multilayer of the bucky paper 11 and the contacting layers 12 already described in FIG. 3 is integrated together with the electrolyte 13 and the counter electrode 18 in a sleeve 14 made of a polymeric material.
  • FIG. 5 shows the additional use of a relaxation electrode 19 in the system described in FIG. 4.
  • the actuation force and the actuation speed can be increased by the relaxation electrode 19.
  • the greatest maximum forces are achieved in 1 m KCI and 1 m Na 2 S0 4 . Only about half of the maximum force with 1 m KCI is achieved with 1 m K 2 S0 4 . The maximum force drops significantly at low electrolyte concentrations.
  • the graph according to FIG. 8 shows the change in force / volume with positive connection (area 1), subsequent disconnection (area 2), subsequent negative connection (area 3) and final disconnection (area 4), each of the bucky paper layers. If the bucky paper layers are connected negatively, a far greater change in force is observed.
  • Fig. 9 shows the change in force as a function of time for multilayers with different contacts.
  • the graph shows that the best arrangement in the multilayer bucky paper / contacting layer / bucky paper / contacting
  • the multi-layer actuator 21 (instead of the multi-layer actuator, depending on the force required, a single-layer bucky paper can also be used) is located on both sides of the artificial lens 22 of an eye and is connected to the lens by clamping.
  • An electrical control device 23 changes the length of the bucky papers, which changes the lens - as shown in the right figure - compared to the state in the left figure and thus enables the light to be focused on the optic nerve.
  • IPMC and IPM are polymer actuators
  • shape memory alloys are shape memory metals
  • the Nanotube actuators are characterized by extreme temperature resistance and the lowest supply voltage of all previously known systems. The expansion of the nanotube is small compared to other systems. However, the comparatively small expansion of the nanotube system due to the lever laws causes a far greater force than that which is observed in systems with high expansion, such as polymers.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)
  • Prostheses (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektromechanischer Aktuator, welcher Aktuator wenigstens eine Nanotubes umfassende Schicht aufweist, wobei die Nanotubes in der Schicht gemittelt über die Nanotube-Anordnungen eine Vorzugsrichtung aufweisen. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin Elektrolyte für die Aktuatoren, Aktuatoren in Multilayer-Anordnung, geometrischen Anordnungen der Nanotube-Schichten, Aktuatoren mit verbesserter Ansteuerung, spezieller Kinematik, Scherkraftentkopplung, Relaxationselektroden und Mitteln zur Erhöhung der Ionengeschwindigkeit. Die Erfindung betrifft weiterhin Verfahren zur Herstellung und Verwendung der Aktuatoren.

Description

Anmelder: Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., Leonrodstraße 54, 80636 München
Aktuator mit Nanotubes, insbesondere Carbon-Nanotubes,
Schichten aus Kohlenstoff-Nanotubes sowie ihre
Hersteilung und Anwendung
Die vorliegende Erfindung betrifft Aktuatoren auf der Basis von Nanotubes, insbesondere mikromechanϊsche Aktuatoren aus Carbon-Nanotubes, Schichten aus Nanotubes (Bucky-Paper), ihre Herstellung und Anwendung.
In den letzten Jahren wurde an einer Reihe von Aktuatoren bzw. Mikro- aktuatoren, d.h. kleinsten Systemen zur Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie („künstliche Muskeln") geforscht, die auf neuartigen Materialien wie keramischen Systemen, piezoelektrischen Polyme-
ren, elektrostriktiven Polymeren, polyelektrolytischen Polymeren, leitenden Polymeren und Nanotubes beruhen.
Aktuatoren umfassen im allgemeinen wenigstens zwei Elektroden und zumindest eine Schicht, die ihre Ausdehnung durch den Einfluss elektrischer Energie in wenigstens einer Dimension verändert.
Aus dem Artikel von Baughman et al. in Science 1340 (1999) ist bekannt, dass Single-Wall Nanotubes (SWNT) bei Anlegung einer elektrischen Spannung ihre Länge und ihren Durchmesser verändern. Single- Wall Nanotubes sind einwandϊge Kohlenstoffröhrchen mit einem Durchmesser von wenigen Nanometern und einer Länge im Mikro- bis Millimeterbereich. Die Längen- und Durchmesserveränderungen der Nanotubes beruhen auf der Veränderung der Länge der Kohlenstoff-Kohlenstoff- Bindung in Abhängigkeit von der Menge der injizierten Ladung infolge quantenmechanischer Vorgänge.
Im Idealfall kann bei Nanotubes durch das Anlegen einer Spannung eine Längenänderung von ca. 1% erreicht werden.
Carbon-Nanotubes zeichnen sich durch hervorragende mechanische und thermische Eigenschaften aus. Sie sind im Gegensatz zu Polymeraktua- toren, die bereits bei Temperaturen von 70°C keine Aktuation mehr zeigen, je nach Bedingungen bis zu 750°C oder im Vakuum gar bis 2.800°C stabil. Auch wird davon ausgegangen, dass sie biokompatibel sind, was ihre Anwendung in der Medizintechnik ermöglicht. Mit Carbon-Nanotubes sind darüber hinaus weitaus größere Kräfte erzeugbar, als es bei den bislang bekannten Polymer- und Piezoaktuatoren der Fall ist. Auch können Carbon-Nanotubes prinzipiell mit einer sehr geringen Versorgungsspannung von 1 Volt betrieben werden, wohingegen bei Polymeraktuato- ren Versorgungsspannungen von 70 - 300 V und bei Piezoaktuatoren sogar Versorgungsspannungen von bis zu 1000 V erforderlich sind. Weiterhin zeigen die Carbon-Nanotubes kein Überschwingverhalten.
54341b.doc Verschiedene Arbeitsgruppen haben sich damit beschäftigt, möglichst große Aktuatoreffekte zu erzielen. In diesem Zusammenhang wurde versucht, große Ladungsmengen in der elektrochemischen Doppelschicht an den Carbon-Nanotubes zu speichern, indem Schichten von Carbon- Nanotubes (Bucky-Paper) hergestellt, diese in einen Elektrolyten getaucht und ein elektrochemisches Potential angelegt wird.
Baughman et al. beschreiben in Science 1340 (1999) Untersuchungen von elek-tromechanischen Aktuatoren aus Kohlenstoff-Nanotube- Papieren, die in 1 m NaCI als Elektrolyt durchgeführt wurden. Auch wird in diesem Artikel über die Bestimmung der gravϊmetrischen Kapazität in den Elektrolyten 38 % H2SO4 sowie LϊCI04 in Acetonitril oder Propylen- carbonat berichtet. Auch in dem Artikel "Electro-mechanicai behavior of carbon nanotube sheets in electrochemical actuators" in „Smart Structu- res and Materials" 25 (2000) von Mazzoldi et. al. werden Aktivitätsmessungen von Nanotube-Papieren in 1 m NaCI vorgestellt.
Zur Herstellung der bislang bekannten Bucky-Paper wird eine Suspension von Nanotubes auf einem PTFE-Filter einer Vakuumfiltration unterzogen und anschließend wird das getrocknete Nanotube-Papier (Bucky- Paper) vom Filter abgezogen. Durch dieses Verfahren werden Bucky- Paper mit einer statistischen Anordnung der Nanotubes erhalten.
Die Veränderung in der Längs- und Querachse, die bei den bislang bekannten Bucky-Papern erreicht wird, liegt weit unterhalb der im Idealfall beobachteten Längen- und Querveränderung von ca. 1% bei einzelnen Nanotubes. Mit zunehmender Schichtdϊcke eines Bucky-Papers nimmt die Veränderung in der Längs- und Querachse weiter ab und die Aktuati- onsgeschwindigkeit sinkt weiter.
Die bislang bekannten Nanotube-Aktuatoren weisen eine zu geringe Ak- tuations-amplϊtude, d.h. zu geringe Veränderung in der Längs- und Querachse der Nanotubes in dem Bucky-Paper und eine zu geringe Kraft auf. Bislang beschränken sich Entwicklungen auf dem Gebiet des Bucky- Paper und der Nanotubes im wesentlichen auf die Grundlagenforschung.
54341b doc Aus den oben genannten Gründen ist bislang kein industriell einsetzbarer Nanotube-Aktuator verfügbar.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Aktuatoren mit besseren Aktuationscharakteristiken, insbesondere größeren Aktuation- samplituden und größerer Aktuationsgeschwindigkeiten, bereitzustellen und Verfahren ihrer Herstellung und Anwendung anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1, 5, 11, 16 bis 25 gelöst.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde festgestellt, dass eine Verbesserung der Aktuationscharakteristik von Nanotube-Aktuatoren, insbesondere von Carbon-Nanotube-Aktuatoren, erreicht werden kann, wenn die in der Schicht aus Nanotubes (nachfolgend kurz „Bucky- Paper") verteilten Nanotubes nicht statistisch in der Bucky-Paper-Schicht verteilt sind sondern gemittelt über alle Lagen eine Vorzugsrichtung aufweisen. Die Erfindung sieht deshalb vor, die Nanotubes im wesentlichen wenigstens teilweise bezogen auf ihre Längsachse in einer Vorzugsrichtung in der Papierebene anzuordnen. Bezogen auf die Vorzugsrichtung sollten die Nanotubes im wesentlichen in einem Winkel kleiner als 90°, bevorzugt kleiner als 60° und besonders bevorzugt' kleiner als 45°, bis hin zur parallelen Anordnung ausgerichtet sein.
Durch diese Anordnung kann das bei der statistischen Anordnung bekannte destruktive Aktuationsverhalten reduziert und damit die Aktuati- onsamplitude erhöht werden.
Es zeigt sich, dass die mechanischen Eigenschaften von Bucky-Paper mit hochgradig ausgerichteten Nanotubes im Vergleich zu Bucky-Paper mit statistisch verteilten Nanotubes abnehmen, so dass zum Beispiel die e- lastischen Eigenschaften verschlechtert werden. Die Verwendung von Zusatzstoffen wie zum Beispiel Verbindungen, die die Adhäsion erhöhen oder die ausgerichteten Nanotubes flexibel einbetten, ohne ihre Ausdehnung zu beeinträchtigen, werden dann bevorzugt.
Vorzugsweise werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung Carbon- Nanotubes, insbesondere Single-Wall Nanotubes aus Kohlenstoff, eingesetzt. Prinzipiell ist es jedoch ebenfalls möglich, Multi-Wall Carbon- Nanotubes einzusetzen oder gar Nanotubes aus anderen Elementen oder Verbindungen wie beispielsweise Bornitrid (BN), Metallsulfide (MoS2, WS2) oder Metalloxide (z. B. V2O5) zu verwenden. Prinzipiell können alle tube-förmigen Materialien verwendet werden, die unter Anlegung elektrischer Größen, wie zum Beispiel Spannung oder Strom, eine mechanische Auslenkung zeigen.
Soweit nachfolgend der Begriff „Bucky-Papers" verwendet wird, beinhaltet er nicht nur Schichten aus Carbon-Nanotubes, sondern auch Schichten aus anderen Nanotubes.
Eine weitere Verbesserung des Aktuationsverhaltens bei Aktuatoren aus Carbon-Nanotubes kann erreicht werden, wenn das Bucky-Paper weitgehend frei von Verunreinigungen wie Fullerenen, Graphitpartikeln und Katalysatorzusätzen ist, da diese Verunreinigungen zu einem schlechten Aktuationsverhalten beitragen. Die Verunreinigungen können durch hyd- rothermische oxidative Verfahren und anschließende Behandlung in Säuren entfernt werden. Die Reinheit des Nanotube-Papiers sollte wenigstens 60 %, vorzugsweise wenigstens 80 %, betragen.
Die Ausrichtung der Nanotubes in dem Bucky-Paper kann während der Herstellung des Bucky-Paper durch Ausrichtung der Nanotubes mittels physikalischer oder chemischer Methoden erfolgen. Beispielsweise können die Nanotubes durch ein elektrisches, magnetisches und/oder elektromagnetisches Feld und/oder unter Einfluss von Ultraschall in einer Tensidsuspension ausgerichtet werden. Die unter diesen Bedingungen durchgeführte Sedimentation oder die Übertragung auf ein geeignetes Substrat, in Anlehnung an die Langmuir-Blodgett-Technik, ermöglicht einen höheren Ausrichtungsgrad.
54341b.doc Die Ausrichtung der Nanotubes kann auch durch Rotationsverfahren, bei denen die Nanotubes in einer Suspension durch Rotation im wesentlichen entlang ihrer Längsachse parallel ausgerichtet werden und die ausgerichtete Nanotube-Schicht anschließend abgeschöpft beziehungsweise auf einen Träger übertragen und getrocknet wird, erfolgen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde weiterhin festgestellt, dass sich die Aktuationsamplitude und die Aktuationsgeschwindigkeit durch geeignete Auswahl der Elektrolyte vergrößern lassen.
Eine Steigerung der Aktuationsamplitude kann durch Einsatz von Elektrolyten mit großen Ionen und/oder hoher Ladungszahl erreicht werden. Vorzugsweise werden Elektrolyte mit großen Anionen eingesetzt, wenn die Bucky-Paper mit dem Pluspol verbunden sind und Elektrolyte mit großen Kationen, wenn die Bucky-Paper mit dem Minuspol verbunden sind.
Die Art des Elektrolyten hat jedoch auch einen Einfluss auf die Aktuationsgeschwindigkeit. Durch den Einsatz von schnellen Ioneri, d.h. hoch geladenen, kleineren Ionen, kann die Aktuationsgeschwindigkeit gesteigert werden.
Da mit großen Ionen eine hohe Aktuationsamplitude erreicht werden kann, jedoch die Aktuationsgeschwindigkeit vermindert wird und umgekehrt, gilt es, geeignete Elektrolyte auszuwählen, bei denen sowohl für die Aktuationsamplitude, als auch für die Aktuationsgeschwindigkeit gute Werte erreicht werden.
Prinzipiell können die Elektrolyte aus der Gruppe der Alkali- und Erdalkalisalze, aber auch Aluminiumsalze beziehungsweise Metallsalze der Halogenide, Nitrate, Sulfate, Phosphate, Hydrogenphosphate, Dihydro- genphosphate, Halogenate und Perhalogenate, Hydroxide, Acetate, Oxa- late oder - soweit beständig - deren Säuren ausgewählt wie beispielsweise LiCl, NaCI, KCI oder die entsprechenden Fluoride, NaNO3 / Na2S04, Na3P04, NaCIO3, NaCIO4 oder die entsprechenden Lithium oder Kaliumsalze oder Erdalkalisalze.
Auch Elektrolytmischungen können zur Optimierung eingesetzt werden.
Als Lösungsmittel für die Elektrolyte ist Wasser oder ein anderes polares Lösungsmittel, das die Dissoziation der Ionen ermöglicht, geeignet. Auch gelförmige hochviskose Elektrolyte, wie zum Beispiel Polyelektrolyte, Ionomere oder mit Elektrolyt gequollene Hydrogele können eingesetzt werden, um zum Beispiel die Viskosität einzustellen.
Vorzugsweise beträgt die Konzentration des Elektrolyten in dem Lösungsmittel zwischen 0,1 und 5 mol/l, besonders bevorzugt sind 0,2 bis 2 mol/l.
Wird Na2SO4 als Elektrolyt eingesetzt, so beträgt die Na2SO4 Konzentration in der wässrigen Lösung vorzugsweise zwischen 0,5 und 2 mol/l, besonders bevorzugt etwa 1 mol/l.
Werden Phosphate beziehungsweise Hydrogenphosphate als Elektrolyt eingesetzt, so beträgt die Phosphatkonzentration in der wässrigen Lösung vorzugsweise zwischen 0,1 und 1 mol/l, besonders bevorzugt etwa 0,5 mol/l.
Die Löslichkeit kann gegebenenfalls durch Einstellen des pH-Wertes variiert werden.
Die Phosphate, zum Beispiel Na2HP04, zeigen in wässriger Lösung zusätzlich eine höhere Viskosität, so dass Dichtungsprobleme bei Anwendung der In-Case Technologie bei Multilayem an der Stelle des Stösels vermindert werden. Besonders gute Ergebnisse wurden mit einer ca. 1 m wässrigen Na2SO4 als Elektrolyt erzielt. Auch ist die chemische Reaktivität, insbesondere die Korrosion, von Na2S04 als Elektrolyt gegenüber Kochsalzlösung vermindert. Um die Aktuationsamplitude des Bucky-Paper in einem Aktuator weiter zu verbessern, sieht eine bevorzugte Ausführungsform eines Aktuators vor, mehrere dünne, Nanotubes umfassende Schichten, vorzugsweise sehr dünne Schichten der Bucky-Paper, zu Multilayem bis zum Erreichen der gewünschten Aktuatordicke zu stapeln. Sehr dünne Schichten der Bucky-Paper sind Schichten von wenigstens einer Monolage, vorzugsweise mehreren Monolagen, bevorzugt im Bereich zwischen 100 nm und 100 μm. Möglich sind auch Dicken bis in den Millimeterbereich.
Unter Multilayem werden wenigstens zwei, vorzugsweise wenigstens 5 und besonders bevorzugt wenigstens 10, übereinander gestapelte Nano- tube-Schichten verstanden. Eine Beschränkung hinsichtlich der Maximaldicke des Aktuators besteht prinzipiell nicht.
Faiis gewünscht, kann zwischen den Bucky-Paper-Lagen eine vorzugsweise poröse Kontaktierungsschicht vorgesehen sein, auch um den schnellen Durchtritt des Elektrolyten zu ermöglichen. Ohne eine Kontaktierungsschicht verringert sich der Wirkungsgrad des Multilayerstapels, da das Bucky-Paper an sich im ersten Moment bei Belastung nachgibt. Die steife Kontaktierungsschicht dient quasi als Gegenlager der Aktuati- on.
Ein Vorteil der Kontaktierung ist neben der größeren Kraft die schnellere Aktuation, da die gesamte Oberfläche des Bucky-Paper kontaktiert ist.
Anwendungsgebiete von Multilayem mit Kontaktierungsschicht sind beispielsweise: Schnelle und starke Aktuatoren, wie z. B. Stellglieder.
Die Kontaktierungsschicht kann aus einem elektrisch leitenden Material bestehen. Als elektrisch leitende Materialien eignen sich Metalle wie insbesondere Edelmetalle wie Silber, Gold, Platin, Kupfer, aber auch Aluminium, elektrisch leitende Polymere u.a. Die Materialien können als Folie auf dem Bucky-Paper aufgewalzt oder aufgeklebt werden. Auch ist möglich, die Metallschicht mittels Sputtern, Aufdampfen, CVD oder PVD-
54341b.doc Verfahren oder Spincoating auf dem Bucky-Paper aufzubringen. Auch kann das Aufwachsen des Bucky-Papers auf einer Metallschicht durchgeführt werden.
Die Dicke der Kontaktierungsschicht beträgt vorzugsweise zwischen 1 Dm und 100 Dm, vorzugsweise etwa 5 bis 10 Dm, um sowohl der Anforderung einer dünnen, als auch einer starren Schicht gerecht zu werden, was selbstverständlich von den jeweiligen Eigenschaften des Kon- taktierungsmaterials abhängig ist.
Prinzipiell kann die Multilayer-Technik sowohl bei den bislang bekannten, als auch bei dem erfindungsgemäßen Bucky-Paper angewandt werden, wobei letzteres bevorzugt ist.
Durch diese Muitilayer-Anordnung kann die Aktuationskraft um die Anzahl der einzelnen Layerschichten der Bucky-Papers vervielfacht werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, jede einzelne Kontaktie- rungsfolie in dem Multilayer an ihrer über die einzelnen Bucky-Paper- Schichten hinaus stehenden Ende zu Kontaktieren.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, die Multilayer-Stapel konzentrisch oder nach dem Zwiebel-Prinzip aufzubauen. Hierdurch wird eine große Kraft und schnelle Aktuation erreicht, so dass eine spezifische Nutzung der Aktuation durch Multilayer-Technik, z. B. radial, axial, linear, erfolgen kann.
Ein derartiger Aktuator in Muitilayer-Anordnung kann ohne Elektrolyt durch direkte elektrische Kontaktierung angesteuert werden, wobei bevorzugt, jedoch nicht unbedingt erforderlich ist, die Bucky-Paper-Schicht mit dem Minus- und die Kontaktierungsschicht mit dem Pluspol zu verbinden.
S4341b.doc Neben der Optimierung des Elektrolyten besteht auch die Möglichkeit, elektrolytfrei eine Aktuation des Bucky-Papers zu erzwingen. Dazu müssen Spannung und Stromstärke angepasst werden. Vorzugsweise wird eine Spannung zwischen 0,5 und 100 V, besonders bevorzugt kleiner 10 V (wegen späterer Einsatzgebiete), verwendet. Die Ströme liegen im Bereich von Mikro- bis Milliampere.
Selbst die Aktuation von Bucky-Paper-Schichten oder Multilayem allein durch E-Feld ohne physikalische Kontaktierung ist möglich.
Auch kann ein auf der Multilayer-Technologie basierender Aktuator in einem Elektrolyten, vorzugsweise dem erfindungsgemäßen Elektrolyten, eingesetzt werden. Um ein besseres Eindringen des Elektrolyten zu gewährleisten, sind die Kontaktierungsschichten - wie die Bucky-Paper- Schichten - vorzugsweise porös. Die Anwendung des auf der Multilayer- Technologie basierenden Aktuators basiert vorzugsweise auf der In- Case-(Hüllen-) Technologie. Hierbei werden Bucky-Paper- und die Kontaktierungsschichten in einem Elektrolyten zu einem Aktuatorenstrang in einer Hülle integriert. Um die einzelnen Bucky-Paper-Schichten aufzubauen, können die einzelnen Bucky-Paper-Schichten in Bondingtechnik kontaktiert werden.
Vorzugsweise ist die Hülle zumindest in einer Dimension veränderbar, insbesondere in einer Hauptbewegungsrichtung des Aktuators. Die Hülle kann beispielsweise als Dichtschlauch aus polymerem, elektrolytresisten- tem Material, insbesondere als Polymergehäuse, ausgebildet sein.
Bei Anwendung der In-Case-Technologie sollte der flüssige Elektrolyt eine nicht zu geringe Viskosität aufweisen, um ein Herauslaufen am Stö- sel, an dem die Kraft abgenommen wird, zu verhindern. Somit können durch geeignete Auswahl des Elektrolyten Dichtigkeitsprobleme verringert werden. Eine hinreichende Dichtigkeit wurde zum Beispiel mit gesättigten NaH2P04 erzielt.
54341b.doc Mit der Multilayer-Technik können einerseits Stellantriebe für kleine Wegstrecken (künstliche Muskeln) bereitgestellt werden. Die Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie kann jedoch auch umgekehrt werden, so dass die auf der Multilayer-Technik basierenden Aktuatoren beispielsweise auch als Kraftmessdose eingesetzt werden können, d.h. durch eine auf den Stapel wirkende Kraft erfolgt eine Spannungsänderung, die gemessen und aus der die Kraft bestimmt wird.
Zusätzlich zu der oben beschriebenen Standardkonfiguration in der In- Case-Technologie kann das Bucky-Paper während der Relaxationsphase frei von Ionen gehalten werden, wenn eine zusätzliche Relaxationselektrode eingesetzt wird. Somit kann sowohl Kraft als auch Geschwindigkeit des Aktuators positiv beeinflusst werden.
Die Aktuationscharakteristik der Aktuatoren hängt weiterhin auch von der Art der elektrischen Ansteuerung des Aktuators ab. Erfindungsgemäß erfolgt die Ansteuerung des Aktuators vorzugsweise durch Änderung der Spannung. Prinzipiell ist es jedoch ebenfalls möglich, eine stromgeregelte Ansteuerung vorzusehen. Die stromgeregelte Ansteuerung hat den Vorteil, dass eine größere Kraft erzielt werden kann.
Die Aktuationsamplitude kann weiterhin durch eine dem Elektrolyten entsprechende elektrische Polarität gesteigert werden. Dies kann durch einen gezielten Wechsel der elektrischen Polarität softwareseitig oder auch über eine Flip-Flopschaltung erreicht werden.
Prinzipiell ist es möglich, sowohl den Plus- als auch den Minuspol mit dem Bucky-Paper zu kontaktieren, bevorzugt wird jedoch eine Minuskon- taktierung am Bucky-Paper und eine Pluskontaktierung an der Kontaktierungsschicht.
Weiterhin wurde festgestellt, dass auch die Geometrie der Bucky-Paper im Elektrolyten die elektrischen Felder beeinflusst. Vorzugsweise wird Bucky-Paper mit runden Geometrien eingesetzt. Längliche oder streifen- förmige Geometrien der Bucky-Paper sind weniger geeignet, ihr Einsatz ist jedoch prinzipiell möglich.
Aufgrund der mechanischen und chemischen Eigenschaften der Bucky- Paper wird vorzugsweise eine spezielle Applikationstechnik, insbesondere Scherkraftentkopplung, eine spezielle Kinematik und die Anwendung der bereits beschriebenen In-Case-Technologie, angewandt.
Bei der Scherkraftentkopplung wird der Aktuator in einem Schutzgehäuse bereitgestellt, wobei das Schutzgehäuse Scherkräfte aufnimmt und Scherkräfte auf den Aktuator vermieden werden. Solche Schutzgehäuse können beispielsweise aus Edelstahl oder Hochleistungspolymeren, wie zum Beispiel PEEK, bereitgestellt werden.
Vorzugsweise werden zudem die Akuationsamplitude und die Maximalkraft zusätzlich über eine spezielle Kinematik vergrößert. So kann durch Hebelgeometrien oder durch spezielle Geometrien und Anordnungen der Bucky-Paper im Raum wie Faltung oder Spiralform der Weg oder die Kraft vergrößert werden.
Die Aktuationscharakteristik kann weiterhin durch Erhöhung der Ionengeschwindigkeit verbessert werden, in dem eine geometrisch nahe Anordnung der Elektroden und deren Isolierung gewählt wird. Zur weiteren Erhöhung der Ionengeschwindigkeit können die Elektrolytbecken in Form von Venturi-Röhren gestaltet sein. Auch ist es möglich, gezielt elektrische Felder zu erzeugen, auf deren Bahnen sich die Ionen besonders schnell bewegen.
Der erfindungsgemäß optimierte Nanotube-Aktuator zeichnet sich gegenüber den bekannten Aktuatoren durch folgende Vorteile aus:
Er kann mit der geringen Spannung von nur einem Volt betrieben werden, somit mit einer um den Faktor 1000 geringeren Spannung als bei keramischen Systemen. Mit dem erfindungsgemäßen Aktuator können weit aus größere Kräfte als in Polymersystemen und größere Ausdehnungen als in keramischen Systemen erzielt werden. Es werden Wirkungsgrade von fast 1 erreicht. Im Gegensatz zu Piezosystemen wird die maximale Ausdehnung ohne Überschwingungen erreicht. Da zudem ein nahezu linearer Verlauf zwischen Längenveränderung und angelegter Spannung vorliegt und die Aktuationsgeschwindigkeit kurz ist, können die Aktuatoren auch in mehreren Stufen - auch in kurzen zeitlichen Abständen - angesteuert werden.
Der erfindungsgemäße Aktuator ist mit einer Dichte von D = 1,4 g/mm2 wesentlich leichter als Legierungen. Er weist zudem eine hohe Temperaturbeständigkeit auf, das Rohmaterial Kohlenstoff ist kostengünstig. Auch ist das Baumaß klein und die Effizienz hoch.
Anwendungsgebiete des erfindungsgemäßen Aktuator sind u.a. die Robotik, die Medizintechnik, die Mikropositioniertechnik, die Automobilindustrie, die Luft- und Raumfahrt, die Feinwerktechnik, die Produktionstechnik und die Messtechnik.
Aufgrund der genannten Vorteile können neben der Substitution von klassischen Aktuatoren auch neue hochspannungskritische Anwendungsgebiete wie beispielsweise in der Medizintechnik (Implantate, Endosko- pie) oder der Kfz-Innenausstattung erschlossen werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren und Ausführungsbeispielen näher beschreiben.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Nanotubes,
Fig. 2 zeigt eine schematische Draufsicht auf die Anordnung der Nanotubes in dem erfindungsgemäßen Bucky-Paper,
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Bucky-Paper- Multilayers,
S4341b.doc Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Bucky-Paper- Multilayers in In-Case-Technologie,
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Bucky-Paper-
Multilayers in In-Case-Technologie mit zusätzlicher Relaxationselektrode,
Fig. 6 zeigt die Anstiegszeiten von Aktuatoren aus Carbon-Nanotube- Schichten in verschiedenen Elektrolyten bis zur halben (weiß) und vollen (schwarz) Auslenkung,
Fig. 7 zeigt die Aktuatoren kraft in Abhängigkeit von den eingesetzten Elektrolyten,
Fig. 8 zeigt den Einfluss der Polarität auf die Kraftänderung in Abhängigkeit von der Zeit,
Fig. 9 zeigt die Kraftveränderung/Volumen in Abhängigkeit von der Kontaktierung,
Fig. 10 zeigt die Aktuationsamplitude mit Na2S04 als Elektrolyt in Abhängigkeit von der Zeit,
Fig. 11 zeigt schematisch den Einsatz des Aktuators als künstlichen Muskel in der Medizintechnik,
Fig. 12 zeigt die prozentuale Ausdehnung verschiedener bislang bekannter Aktuatoren im Vergleich zu Nanotube-Aktuatoren,
Fig. 13 zeigt die zulässige Höchsttemperatur bislang bekannter Aktuatoren im Vergleich zu Nanotube-Aktuatoren und
54341b.doc Fig. 14 zeigt die Versorgungsspannung bislang bekannter Aktuatoren im Vergleich zu Nanotube-Aktuatoren.
Die in Fig. 1 schematisch dargestellten Single-Wall Nanotubes (SWNT) aus Kohlenstoff sind einwandϊge Kohlenstoffröhrchen mit einem Durchmesser von wenigen Nanometern und einer Länge im Mikrometerbereich. Herstellungsverfahren dieser Nanotubes sind im Stand der Technik bekannt (z.B., Science 1340 (1999) mit weiteren Literaturangaben).
Erfindungsgemäß sind die Nanotubes in der Schicht des Bucky-Paper nicht statistisch angeordnet, sondern weisen in der Schicht gemittelt über die Nanotube-Anordnungen eine Vorzugsrϊchtung auf, wie die schematische Draufsicht auf das erfindungsgemäße Bucky-Paper in Fig. 2 zeigt. Insbesondere beträgt der Winkel zwischen den Längsachsen der Nanotubes und der Vorzugsrichtung im wesentlichen weniger als 90°, vorzugsweise weniger als 60° und besonders bevorzugt weniger als 45°, bis hin zu einer besonders bevorzugten Anordnung, bei der die Längsachsen im wesentlichen parallel der Vorzugsrichtung orientiert sind. Zum Erreichen der erforderlichen Festigkeit und der Elastizität der Schichten umfasst die Schicht vorzugsweise Zusatzstoffe, die beispielsweise die Adhäsion erhöhen und/oder die Nanotubes flexibel einbetten.
Die erfindungsgemäße Anordnung der Bucky-Paper in Form von Multilayem ist in Fig. 3 dargestellt. Die Bucky-Paper 11, die vorzugsweise jeweils aus einer wenigen Monolagen dicken Schicht der in Fig. 2 dargestellten, im wesentlichen ausgerichteten Nanotubes bestehen, sind auf die gewünschte Aktuatorendicke d gestapelt. Zwischen den einzelnen Bucky-Paper-Lagen befinden sich Kontaktierungsschichten 12 aus elektrisch leitenden Materialien.
Die Anwendung der Aktuatoren in Multilayer-Technik mit Elektrolyt in der In-Case-Technologie ist in Fig. 4 dargestellt. Der in Fig. 3 bereits beschriebene Multilayer aus den Bucky-Paper- 11 und den Kontaktierungsschichten 12 ist zusammen mit dem Elektrolyten 13 und der Konterelektrode 18 in einer Hülle 14 aus einem polymeren Material integ-
54341b.doc riert. Kontaktierungsschichten 12 und Bucky-Paper 11 sind in Reihe geschaltet. An die obere Bucky-Paper-Schicht grenzt der Stösel 16, mittels dessen die Kraft übertragen wird. An den Stösel 16 angrenzend befindet sich im Bereich der Hülle 14 eine Dichtlippe 17, die das Herausfließen des Elektrolyts verhindert.
Fig. 5 zeigt den zusätzlichen Einsatz einer Relaxationselektrode 19 in dem in Fig. 4 beschriebenen System. Durch die Relaxationselektrode 19 kann die Aktuationskraft und die Aktuationsgeschwindigkeit erhöht werden.
Die Anstiegszeiten von Aktuatoren mit Bucky-Papern bis zur halben (Fmaχ/2, weiß) und vollen (Fmax, schwarz) Ausdehnung sind für verschiedene Elektrolyte in wässriger Lösung in Fig. 6 dargestellt. Besonders kurze Anstiegszeϊten bis zur halben und maximalen Ausdehnung werden in 1 m Na2S04, in 0,1 m Na2SO4 sowie in 0,1 m Na2HPO4 und Na3P04 beobachtet.
Gemäß Fig.7 werden in 1 m KCI und 1 m Na2S04 die größten Maximalkräfte erzielt. Nur etwa die Hälfte der Maximalkraft mit 1 m KCI wird mit 1 m K2S04 erreicht. Bei niederen Elektrolykonzentrationen geht die Maximalkraft deutlich zurück.
Der Graph gemäß Fig. 8 zeigt die Kraftänderung/Volumen bei positiver Konnektierung (Bereich 1), anschließender Diskonnektierung (Bereich 2), anschließender negativer Konnektierung (Bereich 3) und abschließender Diskonnektierung (Bereich 4), jeweils der Bucky-Paper Schichten. Bei negativer Konnektierung der Bucky-Paper Schichten wird eine weitaus größere Kraftänderung beobachtet.
Fig. 9 zeigt die Kraftänderung in Abhängigkeit von der Zeit für Multilayer mit verschiedenen Kontaktierungen. Der Graph belegt, dass die beste Anordnung in dem Multilayer Bucky-Paper/Kontaktierungsschicht/Bucky- Paper/Kontaktierungs
54341b.doc schicht usw. ist. Dies wird darauf zurückgeführt, dass die Steifheit der Kontaktierungsschicht die Aktuation positiv beeinflusst. Andere Möglichkeiten, wie Kontaktierungsschicht/Bucky-Paper/Bucky- Paper/Kontaktierungsschicht zeigen keine so guten Werte.
Fig. 10 zeigt die Aktuationsamplitude in Na2SO4 als Funktion der Zeit. An Bucky-Paper wurde 0,8 V/5 mA angelegt und nach Erreichen der Maximalkraft nach 5 min. getrennt. Anschließend wurde nach 10 Minuten wieder Spannung angelegt. Der Graph zeigt, dass die Aktuation reproduzierbar ist (zwei Wellen). Zum Erreichen der Maximalkraft benötigt ein 0,1 mm dickes Bucky-Paper 5 Minuten. Die Maximalkraft von 0,12 N wird ohne Überschwingen erreicht.
Fig. 11 zeigt ein Anwendungsbeispiel des Aktuators in der Medizintechnik (Imptantattechnik). Der Multiiayer-Aktuator 21 (anstelle des Multila- gen-Aktuators kann in Abhängigkeit der erforderlichen Kraft auch ein Eϊnschicht-Bucky-Paper eingesetzt werden) befindet sich beϊdseitig der künstlichen Linse 22 eines Auges und ist mit der Linse durch Klemmen verbunden. Mittels eines elektrischen Steuergeräts 23 erfolgt eine Längenveränderung der Bucky-Papers, die die Linse - wie in der rechten Abbildung dargestellt - gegenüber dem Zustand in der linken Abbildung verändert und somit eine Fokussierung des Lichtes auf den Sehnerv ermöglicht.
Die Fig. 12 - 14 zeigen Gegenüberstellungen verschiedener Aktuatoren in Bezug auf die Ausdehnung, zulässige Höchsttemperatur und Versorgungsspannung. (IPMC und IPM sind Polymeraktuatoren, Shape Memory Alloys sind Formerinnerungsmetalle). Die Nanotube-Aktuatoren zeichnen sich durch extreme Temperaturbeständigkeit und die geringste Versorgungsspannung aller bislang bekannten Systeme aus. Die Ausdehnung des Nanotubes ist im Vergleich zu anderen Systemen zwar gering. Allerdings bewirkt die vergleichsweise geringe Ausdehnung des Nanotube- Systems aufgrund der Hebelgesetze eine weitaus größere Kraft als die, die in Systemen in hoher Ausdehnung, wie beispielsweise Polymere, beobachtet wird.
54341b.doc

Claims

Anmelder: Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., Leonrodstraße 54, 80636 MünchenPatentansprüche
1. Elektromechanischer Aktuator, welcher Aktuator wenigstens eine Nanotubes umfassende Schicht (11) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanotubes in der Schicht gemittelt über die Na- notube-Anordnungen eine Vorzugsrichtung aufweisen.
2. Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanotubes in der Schicht wenigstens teilweise, bezogen auf ihre Längsachse, in einer Vorzugsrichtung angeordnet sind, wobei die Nanotubes, bezogen auf die Vorzugsrichtung, im wesentlichen in einem Winkel kleiner als 90°, bevorzugt kleiner als 60°, besonders bevorzugt kleiner als 45°, bis hin zur parallelen Anordnung ausgerichtet sind.
3. Aktuator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanotubes Single- oder Multi-Wall Carbon- Nanotubes oder Nanotubes aus anorganischen Komponenten, wie zum Beispiel BN, MoS2 oder V205, sind.
4. Aktuator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die aus Kohlenstoff-Nanotubes bestehende Schicht (Bucky-Paper-Schicht) (11) im wesentlichen frei von Fullerenen, Graphitpartikeln und Katalysatorzusätzen ist.
5. Elektromechanischer Aktuator, welcher Aktuator wenigstens eine Nanotubes umfassende Schicht (11) aufweist, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator einen Elektrolyten umfaßt, der aus der Gruppe der Alkali- und Erdalkali-, Aluminium- und Metallsalze der Halogenide, Nitrate, Sulfate, Phosphate, Dihydrogenphosphate, Hydrogenphosphate, Halogenate, Perhalogenate, Hydroxyde, Acetate, Oxalate oder deren Säuren oder deren Mischungen ausgewählt wird.
6. Aktuator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der E- lektrolyt aus der aus LiCl, KCI, LiF, NaF, KF, NaNO3 , Na2SO4, Na2P0 , Na3PO4, NaCIO3, NaÖ0 oder den entsprechenden Lithium- , Kalium- oder Erdaikalisalzen und den entsprechenden Säuren bestehenden Gruppe ausgewählt wird.
7. Aktuator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Lösungsmittel des Elektrolyten Wasser oder ein polares Lösungsmittel ist.
8. Aktuator nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration des Elektrolyten in dem Lösungsmittel zwischen 0,1 und 5 mol/l, insbesondere zwischen 0,2 und 2 mol/l, beträgt.
9. Aktuator nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt eine 0,5 bis 2 molare, insbesondere etwa 1 molare wässrige Na2SO4-Lösung ist.
10. Aktuator nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt zusätzlich Gelbildner und/oder hochviskose Elektrolyte, wie zum Beispiel Polyelektrolyte, Ionomere oder mit E- lektrolyte gequollene Hydrogele umfaßt.
11. Elektromechanischer Aktuator, welcher Aktuator wenigstens eine Nanotubes umfassende Schicht (11) aufweist, insbesondere nach einem der' Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei, vorzugsweise mehr als 5 und besonders bevorzugt mehr als 10 Nanotubes umfassende Schichten (11) zu wenigstens einem Multilayer gestapelt sind.
12. Aktuator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanotubes umfassenden Schichten (11) sehr dünne Schichten von wenigstens einer Monolage, vorzugsweise mehreren Monolagen und besonders bevorzugt Dicken im Bereich zwischen 100 nm und 100 μm, sind.
13. Aktuator nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Nanotubes umfassenden Schichten (11), vorzugsweise den Bucky-Paper-Schichten, wenigstens eine Kontaktierungsschicht (12), vorzugsweise jeweils zwischen zwei Nanotubes umfassenden Schichten eine Kontaktierungsschicht aus einem elektrisch leitenden Material vorgesehen ist.
14. Aktuator nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierungsschicht (12) porös ist und/oder ein Metall, insbesondere einem Edelmetall oder Aluminium oder ein leitendes Polymer umfaßt.
5434l3.doc
15. Aktuator nach einem der Ansprüche 5 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass er wenigstens einen Multilayer (11, 12) und einen flüssigen Elektrolyten (13) umfasst, welche in eine in wenigstens einer Dimension veränderbaren Hülle (14) integriert sind, die Schichten aus Nanotubes (11) und Kontaktierungsschichten (12) in Reihe geschaltet sind und die Schichten aus Nanotubes vorzugsweise in Bondingtechnik kontaktiert sind.
16. Elektromechanischer Aktuator, welcher Aktuator wenigstens eine Nanotubes umfassende Schicht (11) aufweist, insbesondere nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ansteuerung des Aktuators ein gezieltes Wechseln der Polaritäten durch eine Hardware- und/oder Softwareschaltung, insbesondere eine Flip-Flop-Schaltung, vorgesehen ist.
17. Elektromechanischer Aktuator, welcher Aktuator wenigstens eine Nanotubes umfassende Schicht (11) aufweist, insbesondere nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanotubes umfassende(n) Schϊcht(en) im wesentlichen runde Geometrien aufweisen.
18. Elektromechanischer Aktuator, welcher Aktuator wenigstens eine Nanotubes umfassende Schicht (11) aufweist, insbesondere nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine Scherkraftentkopplung vorgesehen ist.
19. Elektromechanischer Aktuator, welcher Aktuator wenigstens eine Nanotubes umfassende Schicht (11) aufweist, insbesondere nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur Vergrößerung der makroskopischen Auslenkungen eine spezielle Kinematik wie zusätzliche Hebel oder eine gefaltete oder spiralförmige Anordnung der Nanotube-Schichten vorgesehen ist.
54341a.doc
20. Elektromechanischer Aktuator, welcher Aktuator wenigstens eine Nanotubes umfassende Schicht (11) aufweist, insbesondere nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzliche eine Relaxationselektrode (19) vorgesehen ist.
21. Elektromechanischer Aktuator, welcher Aktuator wenigstens eine Nanotubes umfassende Schicht (11) aufweist, insbesondere nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung der Ionengeschwindigkeit eine geometrisch nahe Anordnung der Elektroden und Isolierung gewählt wird und/oder die Elektrolyt-Becken in Form von Venturi-Röhren gestaltet sind und/oder zusätzlich elektrische Felder zur Beschleunigung der Ionen vorgesehen sind.
22. Verwendung eines Aktuators nach einem der Ansprüche 1 bis 21 als Stellantrieb für kleine Wegstrecken, als Kraftmessdose, in der Medizintechnik, der Automobilindustrie, der Robotik, der Mikroposi- tioniertechnik, der Luft- und Raumfahrttechnik, der Feinwerktechnik, der Messtechnik oder der Produktionstechnik.
23. Verfahren zur Herstellung eines Aktuators, der wenigstens eine Nanotubes umfassende Schicht (11) aufweist nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanotubes entweder durch ein elektrisches, magnetisches oder elektromagnetisches Feld oder unter dem Einfluss von Ultraschall in einer Ten- sidsuspension ausgerichtet werden oder die Nanotubes in einer Suspension durch ein Rotationsverfahren ausgerichtet werden, damit die Nanotubes in der Schicht im wesentlichen eine Vorzugsrich- tung aufweisen.
24. Verfahren zur Herstellung einer Kohlenstoff-Nanotubes umfassenden Schicht (11) für einen Aktuator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verunreinigungen durch hydrothermische oxidierende Verfahren und anschließende Behandlung in Säuren entfernt werden.
54341a doc
25. Verfahren zur Herstellung von Aktuatoren nach einem der Ansprü- . ehe 13 bis 15, die Multilayer (11, 12) aus Nanotubes umfassenden Schichten (11) und Kontaktierungsschichten (12) umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierungsschichten (12) auf den Nanotubes umfassenden Schichten (11) durch Sputtern, Aufdampfen, CVD- oder PVD-Verfahren oder Spincoating aufgebracht werden oder die Nanotubes umfassende Schicht auf einer Metallschicht aufwächst.
54341a.doc
PCT/EP2003/010158 2002-09-23 2003-09-12 Aktuator mit nanotubes, insbesondere carbon-nanotubes, schichten aus kohlenstoff-nanotubes sowie ihre herstellung und anwendung Ceased WO2004030210A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
AU2003277854A AU2003277854A1 (en) 2002-09-23 2003-09-12 Actuator comprising nanotubes, especially carbon nanotubes, layers of carbon nanotubes, and the production and use of the same

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE10244312.2 2002-09-23
DE10244312A DE10244312A1 (de) 2002-09-23 2002-09-23 Aktuator mit Nanotubes, insbesondere Carbon-Nanotubes, Schichten aus Kohlenstoff-Nanotubes sowie ihre Herstellung und Anwendung

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2004030210A1 true WO2004030210A1 (de) 2004-04-08

Family

ID=31969465

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2003/010158 Ceased WO2004030210A1 (de) 2002-09-23 2003-09-12 Aktuator mit nanotubes, insbesondere carbon-nanotubes, schichten aus kohlenstoff-nanotubes sowie ihre herstellung und anwendung

Country Status (3)

Country Link
AU (1) AU2003277854A1 (de)
DE (1) DE10244312A1 (de)
WO (1) WO2004030210A1 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1930588A3 (de) * 2006-12-05 2011-11-16 Electronics and Telecommunications Research Institute Aktuator basierend auf einer Heteroübergangsmembran

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102004025603A1 (de) * 2004-05-25 2005-12-22 Forschungszentrum Karlsruhe Gmbh Aktor auf der Basis geometrisch anisotroper Nanopartikel
DE102005034323B4 (de) * 2005-07-22 2011-07-21 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V., 51147 Aktuator mit Nanotubes
DE102005038542A1 (de) 2005-08-16 2007-02-22 Forschungszentrum Karlsruhe Gmbh Künstliches Akkommodationssystem
DE102007008374B4 (de) 2007-02-21 2008-11-20 Forschungszentrum Karlsruhe Gmbh Implantierbares System zur Bestimmung des Akkommodationsbedarfes durch Messung der Augapfelorientierung unter Nutzung eines externen Magnetfelds
DE102007031114B4 (de) 2007-06-29 2013-10-10 Eberhard-Karls-Universität Tübingen Universitätsklinikum Hörimplantat mit multidirektional wirkendem Aktor
DE102008039757A1 (de) * 2008-08-20 2010-02-25 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Aktorelement sowie seine Verwendung
DE102009059229A1 (de) 2009-12-18 2011-06-22 Karlsruher Institut für Technologie, 76131 Implantierbares System zur Bestimmung des Akkommodationsbedarfs
DE102010030034B4 (de) 2010-06-14 2016-02-18 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Aktuator mit Nanotubes
DE102019118426A1 (de) * 2019-07-08 2021-01-14 Picofine GmbH Antriebsvorrichtung und -verfahren zur linearen oder rotatorischen Positionierung

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2000050771A1 (en) * 1999-02-25 2000-08-31 Alliedsignal Inc. Actuators using double-layer charging of high surface area materials
US20010041160A1 (en) * 1998-09-18 2001-11-15 Margrave John L. Chemical derivatization of single-wall carbon nanotubes to facilitate solvation thereof; and use of derivatized nanotubes to form catalyst-containing seed materials for use in making carbon fibers
US20020113335A1 (en) * 2000-11-03 2002-08-22 Alex Lobovsky Spinning, processing, and applications of carbon nanotube filaments, ribbons, and yarns

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19850217C1 (de) * 1998-08-26 2000-03-30 Fraunhofer Ges Forschung Verfahren und Vorrichtung zur Beschichtung von Substraten im Vakuum
KR100314094B1 (ko) * 1999-08-12 2001-11-15 김순택 전기 영동법을 이용한 카본나노튜브 필드 에미터의 제조 방법
US6790425B1 (en) * 1999-10-27 2004-09-14 Wiliam Marsh Rice University Macroscopic ordered assembly of carbon nanotubes
DE10032412A1 (de) * 2000-07-04 2002-01-24 Infineon Technologies Ag Elektronisches Speicherelement und Verfahren zum Herstellen eines elektronischen Speicherelements
DE10058096A1 (de) * 2000-11-23 2002-06-06 Fraunhofer Ges Forschung Adaptronisches Mikrosystem und Verfahren zur Herstellung

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20010041160A1 (en) * 1998-09-18 2001-11-15 Margrave John L. Chemical derivatization of single-wall carbon nanotubes to facilitate solvation thereof; and use of derivatized nanotubes to form catalyst-containing seed materials for use in making carbon fibers
WO2000050771A1 (en) * 1999-02-25 2000-08-31 Alliedsignal Inc. Actuators using double-layer charging of high surface area materials
US20020113335A1 (en) * 2000-11-03 2002-08-22 Alex Lobovsky Spinning, processing, and applications of carbon nanotube filaments, ribbons, and yarns

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
BAUGHMAN ET AL.: "Carbon Nanotube Actuators", SCIENCE, vol. 284, 21 May 1999 (1999-05-21), pages 1340 - 1344, XP002270608 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1930588A3 (de) * 2006-12-05 2011-11-16 Electronics and Telecommunications Research Institute Aktuator basierend auf einer Heteroübergangsmembran

Also Published As

Publication number Publication date
AU2003277854A1 (en) 2004-04-19
DE10244312A1 (de) 2004-04-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2004030210A1 (de) Aktuator mit nanotubes, insbesondere carbon-nanotubes, schichten aus kohlenstoff-nanotubes sowie ihre herstellung und anwendung
DE102016109886A1 (de) Vorrichtung zur Herstellung von Aktivmaterielverbundpulver und Verfahren zur Herstellung von Aktivmaterialverbundpulver
DE102015218907A1 (de) Elektrisch leitfähiges Basismaterial und Schichtverbund, Verfahren zur ihrer Herstellung und ihre Verwendung
DE69013670T2 (de) Verfahren zum Herstellen einer polarisierten Elektrode für einen elektrischen Doppelschichtkondensator.
WO2019081367A1 (de) Alkali-ionen batterie, basierend auf ausgewählten allotropen des schwefels, sowie methoden zu deren herstellung
EP1621875B1 (de) Element, umfassend zwei Elektroden aus nanoskaligen porösen Metallen, Anordnung, die mehrere Elemente umfasst, und deren Verwendung
EP2337841B1 (de) Elektrodeneinrichtung, generatoreinrichtung und verfahren zur stromerzeugung durch membranpotential-ableitung
DE102014221046A1 (de) Lithium-Schwefel-Akkumulator
DE102023201755A1 (de) Anode für eine Lithium-Ionen-Batteriezelle
EP1748952A1 (de) Aktor auf der basis geometrisch anisotroper nanopartikel
DE10053276C1 (de) Elektrochemischer Kondensator
DE102020122287A1 (de) Batteriezelle, Fahrzeugbatterie, Kraftfahrzeug und Verfahren zum Herstellen eines Trägerelements für eine Elektrode einer Batteriezelle
EP4449518A1 (de) Verfahren zur herstellung einer elektrode mit heterogener mehrfachbeschichtung
DE102015218438A1 (de) Symmetrischer Hybridsuperkondensator und Verwendung von LiMnxFe1-xPO4 als Elektrodenmaterial für einen Hybridsuperkondensator
DE102005034323B4 (de) Aktuator mit Nanotubes
EP4044310A1 (de) Festkörperelektrolyt für eine elektrodenschicht einer festkörperbatterie
WO2020165314A1 (de) Verfahren zum hydrophilieren eines halbzeugelements und dadurch hergestelltes elektrodenelement, bipolarelement oder wärmetauscherelement
DE102016011895A1 (de) Beschichteter Feststoffelektrolyt für Feststoffbatteriezelle
DE102010030034B4 (de) Aktuator mit Nanotubes
DE102023208945B3 (de) Verfahren zur Fertigung einer Lithiumionen-Batteriezelle
DE102010029502A1 (de) Elektrochemische Funktionsstruktur und Verfahren zur Herstellung
EP1981117A1 (de) Verfahren zum erzeugen von elektrischem strom und einrichtung zum ausführen des verfahrens
WO2019086338A1 (de) Verbindungstechnik für polkontakte von batterien
EP3155677B1 (de) Verfahren zur herstellung eines elektrodenmaterials für einen elektrochemischen energiespeicher
DE102022210096A1 (de) Verfahren zur Herstellung einer Feststoffzelle

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AE AG AL AM AT AU AZ BA BB BG BR BY BZ CA CH CN CO CR CU CZ DK DM DZ EC EE ES FI GB GD GE GH GM HR HU ID IL IN IS JP KE KG KP KR KZ LC LK LR LS LT LU LV MA MD MG MK MN MW MX MZ NO NZ OM PH PL PT RO RU SC SD SE SG SK SL SY TJ TM TN TR TT TZ UA UG US UZ VC VN YU ZA ZM ZW

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): GH GM KE LS MW MZ SD SL SZ TZ UG ZM ZW AM AZ BY KG KZ MD RU TJ TM AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HU IE IT LU MC NL PT RO SE SI SK TR BF BJ CF CG CI CM GA GN GQ GW ML MR NE SN TD TG

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
DFPE Request for preliminary examination filed prior to expiration of 19th month from priority date (pct application filed before 20040101)
122 Ep: pct application non-entry in european phase
NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: JP

WWW Wipo information: withdrawn in national office

Country of ref document: JP