Ученые Национальной лаборатории Лоуренса Беркли и Scripps Research разработали революционный конденсатор на основе полимера, эффективно обрабатывающий рекордные количества энергии, выдерживая при этом экстремальные температуры и электрические поля. Конденсатор состоит из материалов, синтезированных с помощью версии химической реакции следующего поколения, за которую три 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 низкий вес, низкая стоимость, механическая гибкость и надежность в циклическом использовании.
Кроме того, что конденсатор должен оставаться стабильным под воздействием высоких температур, он должен быть крепким "диэлектрическим" материалом, а это значит, что он остается сильным изолятором при воздействии высоких напряжений.
Сегодня существует всего несколько известных материалов, обеспечивающих 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.
Учёные использовали простую и быструю химическую реакцию, разработанную в 2014 г., которая заменяет атомы фтора в соединениях, содержащих связи фторид серы, с получением длинных полимерных цепочек молекул сульфата, называемых полисульфатами.
Полисульфаты отливают в гибкие пленки. Высокотемпературные высоковольтные конденсаторы на основе таких пленок демонстрируют свойства накопления энергии при температуре 150 градусов. Такие силовые конденсаторы обещают повысить энергоэффективность и надежность встроенных 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 лауреатом Нобелевской премии по химии, вместе с Пен Ву, также химиком в Scripps Research. Эти реакции соединяют отдельные молекулярные образования посредством прочных химических связей, образующихся между разными реакционноспособными группами.
Ученые указывают, что изготовленные конденсаторы обладают превосходной механической гибкостью, выдерживают электрические поля напряжением более 750 миллионов вольтов на метр и эффективно работают при температуре до 150 градусов. Для сравнения, современные полимерные коммерческие 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.
