Ученые создали устройства хранения энергии нового поколения: как они изменят технику

Революционный конденсатор на основе полимера, который эффективно обрабатывает рекордные количества энергии, выдерживая при этом экстремальные температуры и электрические поля, разработали ученые Национальной лаборатории Лоуренса Беркли и Scripps Research, сообщает SciTechDaily. Конденсатор состоит из материалов, синтезированных с помощью версии химической реакции следующего поколения, за которую трое ученых получили Нобелевскую премию по химии 2022 года.

Полимерные пленочные конденсаторы сохраняют и выделяют энергию в электрическом поле, используя тонкий пластиковый слой в качестве изолятора. 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.

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. Сегодня существует всего несколько известных 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.

Но ученым из лаборатории Лоуренса Беркли удалось привнести новинку в эту сферу. 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 отливаются в гибкие отдельно стоящие пленки. Высокотемпературные высоковольтные конденсаторы на основе таких пленок демонстрируют современные свойства накопления энергии при температуре 150 градусов. Такие силовые конденсаторы обещают повысить энергоэффективность и надежность интегрированных энергосистем в электромобилях.

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 Scripps Research. Эти реакции соединяют отдельные молекулярные образования посредством прочных химических связей, образующихся между различными реакционноспособными группами.

Лю и его коллеги обнаружили, что, как ни удивительно, полисульфаты обладают выдающимися диэлектрическими свойствами, особенно в высоких электрических полях и температурах. "Некоторые коммерческие и лабораторные полимеры известны своими диэлектрическими свойствами, но полисульфаты никогда не рассматривались. Соединение между полисульфатами и диэлектриками является одной из новинок", — говорят ученые.

В своей опубликованной работе ученые указывают, что изготовленные конденсаторы обладают превосходной механической гибкостью, выдерживают электрические поля напряжением более 750 миллионов вольт на метр и эффективно работают при температурах до 150 градусов. Для сравнения, современные коммерческие полимерные конденсаторы надежно работают только при температурах ниже 120 градусов. Выше этой температуры они могут выдерживать только электрические поля напряжением менее 500 миллионов вольт на метр, а энергоэффективность резко падает более чем вдвое.

Эти полисульфаты являются революционными в сфере современных полимерных диэлектриков. Как только ученые преодолеют препятствия в крупномасштабных процессах производства тонкопленочных материалов, эти устройства смогут значительно повысить энергоэффективность интегрированных энергетических систем электромобилей и повысить их эксплуатационную надежность.

Ранее Фокус рассказывал, как ученые изобрели "графеновую батарейку". Исследователям удалось получить пользу от случайных флуктуаций теплового движения атомов. Теперь конденсаторы смогут получать энергию из тепла.