Neue hitze- und stromresistente Verbindung könnte Energiespeicher der nächsten Generation ermöglichen
Flexible Polymere mit einer neuen Generation der nobelpreisgekrönten "Klick-Chemie"-Reaktion hergestellt werden
Die wachsende Nachfrage der Gesellschaft nach elektrischen Hochspannungstechnologien - einschließlich gepulster Stromversorgungssysteme, Autos und elektrifizierter Flugzeuge sowie Anwendungen für erneuerbare Energien - erfordert eine neue Generation von Kondensatoren, die große Energiemengen unter intensiven thermischen und elektrischen Bedingungen speichern und abgeben können. Forscher des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) des US-Energieministeriums und von Scripps Research haben nun ein neues Bauelement auf Polymerbasis entwickelt, das effizient mit Rekord-Energiemengen umgehen kann und gleichzeitig extremen Temperaturen und elektrischen Feldern standhält. Das Gerät besteht aus Materialien, die durch eine neuartige Version der chemischen Reaktion synthetisiert wurden, für die drei Wissenschaftler 2022 den Nobelpreis für Chemie erhielten.
Eine neuartige Polysulfatverbindung kann zur Herstellung von Polymerfilmkondensatoren verwendet werden, die eine hohe Dichte an elektrischer Energie speichern und entladen und dabei Wärme und elektrische Felder über die Grenzen bestehender Polymerfilmkondensatoren hinaus vertragen.
Yi Liu and He (Henry) Li/Berkeley Lab
Polymerfolienkondensatoren sind elektrische Bauteile, die Energie in einem elektrischen Feld speichern und wieder abgeben, wobei eine dünne Kunststoffschicht als Isolierschicht dient. Sie machen 50 % des weltweiten Marktes für Hochspannungskondensatoren aus und bieten Vorteile wie geringes Gewicht, niedrige Kosten, mechanische Flexibilität und robuste Zyklierbarkeit. Die Leistung moderner Polymerfolienkondensatoren nimmt jedoch mit steigender Temperatur und Spannung drastisch ab. Die Entwicklung neuer Materialien mit verbesserter Toleranz gegenüber Hitze und elektrischen Feldern ist von größter Bedeutung, und die Entwicklung von Polymeren mit nahezu perfekter Chemie bietet eine Möglichkeit, dies zu erreichen.
"Unsere Arbeit bringt eine neue Klasse von elektrisch robusten Polymeren auf den Tisch. Sie eröffnet viele Möglichkeiten für die Erforschung robusterer, leistungsfähigerer Materialien", sagte Yi Liu, Chemiker am Berkeley Lab und leitender Autor der Joule-Studie , die über die Arbeit berichtet. Liu ist Leiter der Abteilung für organische und makromolekulare Synthese an der Molecular Foundry, einer Einrichtung des DOE Office of Science am Berkeley Lab.
Ein Kondensator muss nicht nur bei hohen Temperaturen stabil bleiben, sondern auch ein starkes "dielektrisches" Material sein, d. h. er muss auch bei hohen Spannungen ein starker Isolator bleiben. Es gibt jedoch nur wenige bekannte Materialsysteme, die sowohl thermische Stabilität als auch dielektrische Festigkeit bieten. Dieser Mangel ist darauf zurückzuführen, dass es an zuverlässigen und bequemen Synthesemethoden sowie an einem grundlegenden Verständnis der Beziehung zwischen Polymerstruktur und -eigenschaften mangelt. "Die Verbesserung der thermischen Stabilität bestehender Filme bei gleichzeitiger Beibehaltung ihrer elektrischen Isolierfähigkeit ist eine ständige Herausforderung für die Materialien", so Liu.
Eine langfristige Zusammenarbeit zwischen Forschern der Molecular Foundry und des Scripps Research Institute hat diese Herausforderung nun gemeistert. Sie nutzten eine 2014 entwickelte einfache und schnelle chemische Reaktion, bei der Fluoratome in Verbindungen, die Schwefel-Fluorid-Bindungen enthalten, ausgetauscht werden, um lange Polymerketten aus Sulfatmolekülen, so genannte Polysulfate, zu erhalten. Diese Schwefel-Fluorid-Austauschreaktion (SuFEx) ist eine Weiterentwicklung der Click-Chemie-Reaktion, die von K. Barry Sharpless, einem Chemiker bei Scripps Research und zweifachen Nobelpreisträger für Chemie, zusammen mit Peng Wu, ebenfalls Chemiker bei Scripps Research, entwickelt wurde. Die nahezu perfekten und dennoch einfach durchzuführenden Reaktionen verbinden getrennte molekulare Einheiten durch starke chemische Bindungen, die sich zwischen verschiedenen reaktiven Gruppen bilden. Lius Team hatte ursprünglich eine Reihe von thermischen Analyseinstrumenten verwendet, um die grundlegenden thermischen und mechanischen Eigenschaften dieser neuen Materialien zu untersuchen.
Im Rahmen eines Programms des Berkeley Labs zur Synthese und Identifizierung neuartiger Materialien, die für die Energiespeicherung nützlich sein könnten, fanden Liu und seine Kollegen nun heraus, dass die Polysulfate überraschenderweise hervorragende dielektrische Eigenschaften aufweisen, insbesondere bei hohen elektrischen Feldern und Temperaturen. "Mehrere kommerzielle und im Labor hergestellte Polymere sind für ihre dielektrischen Eigenschaften bekannt, aber Polysulfate wurden nie in Betracht gezogen. Die Verbindung von Polysulfaten und Dielektrika ist eine der Neuheiten hier", sagte He Li, Postdoktorand in der Molecular Foundry und in der Abteilung Materialwissenschaften von Berkeley Lab und Hauptautor der Studie.
Inspiriert von den hervorragenden dielektrischen Basiseigenschaften von Polysulfaten, haben die Forscher extrem dünne Schichten aus Aluminiumoxid (Al2O3) auf dünne Schichten des Materials aufgebracht, um Kondensatoren mit verbesserter Energiespeicherleistung zu entwickeln. Sie stellten fest, dass die hergestellten Kondensatoren eine ausgezeichnete mechanische Flexibilität aufwiesen, elektrischen Feldern von mehr als 750 Millionen Volt pro Meter standhielten und bei Temperaturen von bis zu 150 Grad Celsius effizient arbeiteten. Im Vergleich dazu funktionieren die heutigen handelsüblichen Polymerkondensatoren nur bei Temperaturen unter 120 Grad Celsius zuverlässig. Oberhalb dieser Temperatur können sie nur noch elektrischen Feldern von weniger als 500 Millionen Volt pro Meter standhalten, und die Energieeffizienz sinkt um mehr als die Hälfte.
Die Arbeit eröffnet neue Möglichkeiten für die Erforschung robuster, hochleistungsfähiger Materialien für die Energiespeicherung. "Wir haben tiefe Einblicke in die zugrundeliegenden Mechanismen gewonnen, die zu der hervorragenden Leistung des Materials beitragen", so Wu.
Das Polymer zeichnet sich durch ein ausgewogenes Verhältnis von elektrischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften aus, was wahrscheinlich auf die durch die Click-Chemie-Reaktion eingeführten Sulfatbindungen zurückzuführen ist. Da die modulare Chemie eine außerordentliche strukturelle Vielfalt und Skalierbarkeit ermöglicht, könnte derselbe Weg einen gangbaren Weg zu neuen Polymeren mit höherer Leistung bieten, die noch anspruchsvolleren Einsatzbedingungen gerecht werden.
Die Polysulfate sind starke Anwärter darauf, neue hochmoderne polymere Dielektrika zu werden. Sobald die Forscher die Hürden bei den großtechnischen Herstellungsverfahren für Dünnschichtmaterialien überwunden haben, könnten die Bauelemente die Energieeffizienz integrierter Stromversorgungssysteme in Elektrofahrzeugen erheblich verbessern und deren Betriebssicherheit erhöhen.
"Wer hätte gedacht, dass ein hauchdünner Sulfatpolymerfilm Blitze und Feuer, zwei der zerstörerischsten Kräfte im Universum, abwehren könnte", so Sharpless.
"Wir gehen ständig an die Grenzen der thermischen und elektrischen Eigenschaften und beschleunigen den Übergang vom Labor zur Marktreife", fügte Liu hinzu.
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