Учені створили пристрої зберігання енергії нового покоління: як вони змінять техніку

Революційний конденсатор на основі полімеру, який ефективно обробляє рекордні кількості енергії, витримуючи при цьому екстремальні температури та електричні поля, розробили вчені Національної лабораторії Лоуренса Берклі та Scripps Research, повідомляє SciTechDaily. Конденсатор складається з матеріалів, синтезованих за допомогою версії хімічної реакції наступного покоління, за яку троє вчених отримали Нобелівську премію з хімії 2022 року.

Полімерні плівкові конденсатори зберігають і виділяють енергію в електричному полі, використовуючи тонкий пластиковий шар як ізолятор. На їхню частку припадає близько 50% світового ринку високовольтних конденсаторів, і вони мають такі переваги, як мала вага, низька вартість, механічна гнучкість і надійність у циклічному використанні. Але продуктивність сучасних полімерних плівкових конденсаторів різко знижується зі збільшенням температури та напруги.

Крім того, що конденсатор має залишатися стабільним під впливом високих температур, він має бути міцним "діелектричним" матеріалом, а це означає, що він залишається сильним ізолятором під час впливу високих напруг. Сьогодні існує всього кілька відомих матеріалів, які забезпечують як термічну стабільність, так і діелектричну міцність. Цей дефіцит зумовлений відсутністю надійних і зручних методів синтезу, а також відсутністю фундаментального розуміння взаємозв'язку між структурою і властивостями полімеру.

Але вченим з лабораторії Лоуренса Берклі вдалося привнести новинку в цю сферу. Вони використовували просту і швидку хімічну реакцію, розроблену 2014 року, яка замінює атоми фтору в сполуках, що містять зв'язки фторид сірки, з отриманням довгих полімерних ланцюжків молекул сульфату, які називаються полісульфатами.

Полісульфати відливають у гнучкі окремо стоячі плівки. Високотемпературні високовольтні конденсатори на основі таких плівок демонструють сучасні властивості накопичення енергії за температури 150 градусів. Такі силові конденсатори обіцяють підвищити енергоефективність і надійність інтегрованих енергосистем в електромобілях.

Ця реакція обміну сірки та фтору (SuFEx) являє собою версію наступного покоління хімічної реакції клацання, вперше розроблену К. Баррі Шарплессом, хіміком із Scripps Research і дворазовим лауреатом Нобелівської премії з хімії, разом із Пен Ву, також хіміком у Scripps Research. Ці реакції з'єднують окремі молекулярні утворення за допомогою міцних хімічних зв'язків, що утворюються між різними реакційноздатними групами.

Лю і його колеги виявили, що, як не дивно, полісульфати мають видатні діелектричні властивості, особливо у високих електричних полях і температурах. "Деякі комерційні та лабораторні полімери відомі своїми діелектричними властивостями, але полісульфати ніколи не розглядалися. З'єднання між полісульфатами та діелектриками є однією з новинок", — кажуть учені.

У своїй опублікованій роботі вчені вказують, що виготовлені конденсатори мають чудову механічну гнучкість, витримують електричні поля напругою понад 750 мільйонів вольтів на метр і ефективно працюють за температур до 150 градусів. Для порівняння, сучасні комерційні полімерні конденсатори надійно працюють тільки при температурах нижче 120 градусів. Вище за цю температуру вони можуть витримувати тільки електричні поля напругою менше ніж 500 мільйонів вольтів на метр, а енергоефективність різко падає більш ніж удвічі.

Ці полісульфати є революційними у сфері сучасних полімерних діелектриків. Щойно вчені подолають перешкоди у великомасштабних процесах виробництва тонкоплівкових матеріалів, ці пристрої зможуть значно підвищити енергоефективність інтегрованих енергетичних систем електромобілів і підвищити їхню експлуатаційну надійність.

Раніше Фокус розповідав, як вчені винайшли "графенову батарейку". Дослідникам вдалося отримати користь від випадкових флуктуацій теплового руху атомів. Тепер конденсатори зможуть отримувати енергію з тепла.