Впереди: Нобелевская премия

Aug 24, 2023

Рэйчел Берковиц, Национальная лаборатория Лоуренса Беркли, 22 августа 2023 г.

Новый тип полисульфатного соединения может быть использован для изготовления полимерных пленочных конденсаторов, которые сохраняют и разряжают электрическую энергию высокой плотности, выдерживая при этом тепловые и электрические поля, выходящие за пределы существующих полимерных пленочных конденсаторов. Фото: Йи Лю и Хе (Генри) Ли/Лаборатория Беркли.

Гибкие полимеры, полученные с помощью нобелевской реакции нового поколения «клик-химии», находят применение в конденсаторах и других приложениях.

Растущий спрос общества на высоковольтные электрические технологии, включая импульсные энергосистемы, автомобили, электрифицированные самолеты и возобновляемые источники энергии, требует нового поколения конденсаторов, которые сохраняют и передают большое количество энергии в интенсивных тепловых и электрических условиях.

Новое устройство на основе полимера, которое эффективно обрабатывает рекордные количества энергии, выдерживая при этом экстремальные температуры и электрические поля, теперь разработано исследователями Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики (Berkeley Lab) и Scripps Research. Устройство состоит из материалов, синтезированных с помощью версии химической реакции нового поколения, за которую трое ученых получили Нобелевскую премию по химии 2022 года.

Полимерные пленочные конденсаторы — это электрические компоненты, которые сохраняют и выделяют энергию в электрическом поле, используя тонкий пластиковый слой в качестве изолирующего слоя. На их долю приходится около 50% мирового рынка высоковольтных конденсаторов, и они обладают такими преимуществами, как малый вес, низкая стоимость, механическая гибкость и надежность в циклическом использовании. Но производительность современных полимерных пленочных конденсаторов резко снижается с увеличением температуры и напряжения. Разработка новых материалов с улучшенной устойчивостью к тепловым и электрическим полям имеет первостепенное значение; и создание полимеров с почти идеальным химическим составом предлагает способ сделать это.

«Наша работа добавляет к таблице новый класс электростойких полимеров. Это открывает много возможностей для исследования более надежных и эффективных материалов».

- Йи Лю

«Наша работа добавляет к таблице новый класс электростойких полимеров. Это открывает много возможностей для исследования более надежных и эффективных материалов», — сказал И Лю, химик из лаборатории Беркли и старший автор исследования Джоуля, сообщающий о работе. Лю — директор отдела органического и макромолекулярного синтеза в Molecular Foundry, пользовательском центре Управления науки Министерства энергетики США в лаборатории Беркли.

Помимо того, что конденсатор должен оставаться стабильным при воздействии высоких температур, он должен быть прочным «диэлектрическим» материалом, а это означает, что он остается сильным изолятором при воздействии высоких напряжений. Однако существует несколько известных систем материалов, которые обеспечивают как термическую стабильность, так и диэлектрическую прочность. Этот дефицит обусловлен отсутствием надежных и удобных методов синтеза, а также отсутствием фундаментального понимания взаимосвязи между структурой и свойствами полимера. «Улучшение термической стабильности существующих пленок при сохранении их электроизоляционной прочности является постоянной проблемой материалов», — сказал Лю.

Долгосрочное сотрудничество между исследователями из Молекулярного литейного завода и Исследовательского института Скриппса теперь позволило решить эту задачу. Они использовали простую и быструю химическую реакцию, разработанную в 2014 году, которая заменяет атомы фтора в соединениях, содержащих связи фторид серы, с получением длинных полимерных цепочек молекул сульфата, называемых полисульфатами.

Полисульфаты с отличными термическими свойствами отливаются в гибкие отдельно стоящие пленки. Высокотемпературные высоковольтные конденсаторы на основе таких пленок демонстрируют современные свойства накопления энергии при температуре 150 градусов Цельсия. Такие силовые конденсаторы обещают повысить энергоэффективность и надежность интегрированных энергосистем в таких требовательных приложениях, как электрифицированный транспорт. Фото: Йи Лю и Хе (Генри) Ли/Лаборатория Беркли.

Эта реакция обмена серы и фтора (SuFEx) представляет собой версию следующего поколения химической реакции щелчка, впервые разработанную К. Барри Шарплессом, химиком из Scripps Research и двукратным лауреатом Нобелевской премии по химии, вместе с Пэн Ву, также химиком в Исследование Скриппса. Почти идеальные, но простые в проведении реакции соединяют отдельные молекулярные образования посредством прочных химических связей, образующихся между различными реакционноспособными группами. Команда Лю изначально использовала различные инструменты термического анализа для изучения основных термических и механических свойств этих новых материалов.