社会的日益增长的需求为高压电气技术——包括脉冲功率系统,汽车和电动飞机,和可再生能源应用程序,需要新一代的电容器存储和提供大量的能量强烈热和电的条件下。
研究人员在美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)和斯克里普斯研究已经开发出一种新的聚合物装置,有效地处理创纪录的能量而承受极端温度和电场。设备是由通过下一代版本的材料合成化学反应的三位科学家亚博网站下载获得了2022年诺贝尔化学奖。
聚合物薄膜电容器电气组件存储和释放能量在电场用一层薄薄的塑料绝缘层。他们占了全球50%的高压电容器市场和提供优势包括重量轻、成本低、机械灵活性和健壮的cyclability。但最先进的聚合物薄膜电容器性能急剧下降随着温度和电压。发展与提高新材料对电场和热至关亚博网站下载重要;和创建与近乎完美的化学聚合物提供了一种方法。
“我们的工作添加一个新类电健壮的聚合物。它打开了许多可能性的探索更加健壮,高性能材料。”亚博网站下载化学家说易建联刘伯克利实验室的资深作者焦耳研究报告的工作。刘主任是设施有机和高分子合成分子铸造,能源部科学办公室用户设备在伯克利实验室。亚博老虎机网登录
除了保持稳定受到高温时,电容器需要一个强大的“介质”的材料,这意味着它仍然是一个强大的绝缘子时受到高电压。然而,一些已知的材料系统存在提供绝缘强亚博网站下载度和热稳定性。这种短缺是由于缺乏可靠和方便的合成方法,以及缺乏基本的认识聚合物结构和性能之间的关系。“改善现有电影的热稳定性,同时保留其电气绝缘强度材料是一个持续的挑战,”亚博网站下载刘说。
长期合作分子铸造和斯克里普斯研究所的研究人员现在已经遇到挑战。他们使用了2014年开发的一个简单而快速的化学反应,互换氟原子在化合物包含sulfur-fluoride债券,收益率硫酸聚合物长链的分子称为polysulfates。这Sulfur-Fluoride交易所(SuFEx)反应是新一代版本的点击化学反应由k·夏普,化学家斯克里普斯研究和两届诺贝尔化学奖得主,连同Peng Wu,斯克里普斯研究所的化学家。近乎完美的但容易使反应加入独立分子实体通过强大的化学键,形成不同的活性组之间。刘翔的团队最初使用各种热分析工具来检查这些新材料的热物性参数和力学性能参数基本。亚博网站下载
伯克利实验室的一部分程序合成和识别新材料可能是有用的在能量储存,刘和他的同事们现在发现,令人惊讶的是,polysulfates优异的介亚博网站下载电性能,特别是在高电场和温度。”一些商业和被移植到聚合物身上的介电性能著称,但polysulfates从未被考虑。婚姻polysulfates和电介质之间是这里的纪念品之一,”李说,他的博士后研究员分子铸造在伯克利实验室材料科学部门,以及该研究的第一作者。亚博网站下载亚博老虎机网登录
灵感来自于优秀的基线polysulfates提供的介电性能,研究人员极薄层沉积氧化铝(氧化铝)薄膜的材料工程师电容器与增强的能量储存设备的性能。他们发现伪造电容器表现出优秀的机械的灵活性,经受住了电场超过7.5亿伏/米,和有效地执行在温度高达150摄氏度。商业聚合物相比,今天的基准电容只有功能可靠地在温度低于120摄氏度。以上温度,他们只能承受电场小于5亿伏/米,和能源效率严重下降超过一半。
工作打开新的可能性为探索健壮、高效储能材料。亚博网站下载“我们已经提供了潜在机制的深刻领悟,导致材料的性能优良,“Wu说。
聚合物罢工一个平衡的电、热、力学性能,可能由于硫酸联系引入的点击化学反应。因为模块化提供非凡的化学结构多样性和可伸缩性,同样的路线可以提供一个可行的路径和更高的性能,以满足新的聚合物更苛刻的操作条件。
polysulfates强劲竞争者成为新的先进的聚合物电介质。一旦研究人员克服障碍在大规模薄膜材料的制造工艺,设备可以极大地提高综合电力系统在电动汽车的能源效率,提高他们的操作可靠性。亚博网站下载
“谁能想象,一个纤细的硫酸聚合物薄膜可以抵挡闪电和火焰,两个宇宙中最具破坏性的力量——!”沙普利斯说。
“我们不断推动信封热、电特性,加快lab-to-market过渡,“刘补充道。
许可的技术现在可以联系(电子邮件保护)。
工作收到资金从美国能源部科学办公室,美国国家科学基金会和国家健康研究所的。亚博老虎机网登录工作在分子进行铸造。
来源:http://www.lbl.gov/