Powering Ahead: Nobel

Aug 24, 2023

Von Rachel Berkowitz, Lawrence Berkeley National Laboratory, 22. August 2023

Eine neue Art von Polysulfatverbindung kann zur Herstellung von Polymerfolienkondensatoren verwendet werden, die elektrische Energie in hoher Dichte speichern und entladen und gleichzeitig Hitze und elektrische Felder tolerieren, die über die Grenzen bestehender Polymerfolienkondensatoren hinausgehen. Bildnachweis: Yi Liu und He (Henry) Li/Berkeley Lab

Flexible Polymere, die mit einer neuen Generation der mit dem Nobelpreis ausgezeichneten „Klick-Chemie“-Reaktion hergestellt werden, finden Verwendung in Kondensatoren und anderen Anwendungen.

Die steigende Nachfrage der Gesellschaft nach elektrischen Hochspannungstechnologien – einschließlich gepulster Stromversorgungssysteme, Autos, elektrifizierter Flugzeuge und Anwendungen für erneuerbare Energien – erfordert eine neue Generation von Kondensatoren, die große Energiemengen unter intensiven thermischen und elektrischen Bedingungen speichern und liefern.

Forscher des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) des Energieministeriums und von Scripps Research haben nun ein neues Gerät auf Polymerbasis entwickelt, das Rekordmengen an Energie effizient verarbeitet und gleichzeitig extremen Temperaturen und elektrischen Feldern standhält. Das Gerät besteht aus Materialien, die durch eine nächste Generation der chemischen Reaktion synthetisiert werden, für die drei Wissenschaftler 2022 den Nobelpreis für Chemie gewonnen haben.

Polymerfolienkondensatoren sind elektrische Bauteile, die Energie innerhalb eines elektrischen Feldes speichern und abgeben, wobei eine dünne Kunststoffschicht als Isolierschicht dient. Sie machen rund 50 % des weltweiten Marktes für Hochspannungskondensatoren aus und bieten Vorteile wie geringes Gewicht, niedrige Kosten, mechanische Flexibilität und robuste Zyklenfähigkeit. Allerdings nimmt die Leistung moderner Polymerfolienkondensatoren mit steigender Temperatur und Spannung dramatisch ab. Die Entwicklung neuer Materialien mit verbesserter Toleranz gegenüber Hitze und elektrischen Feldern ist von größter Bedeutung; und die Herstellung von Polymeren mit nahezu perfekter Chemie bietet eine Möglichkeit, dies zu erreichen.

„Unsere Arbeit bringt eine neue Klasse elektrisch robuster Polymere auf den Markt. Es eröffnet viele Möglichkeiten für die Erforschung robusterer und leistungsfähigerer Materialien.“

– Yi Liu

„Unsere Arbeit bringt eine neue Klasse elektrisch robuster Polymere auf den Markt. „Es 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 Einrichtung für organische und makromolekulare Synthese bei der Molecular Foundry, einer Benutzereinrichtung des DOE Office of Science im Berkeley Lab.

Ein Kondensator muss nicht nur stabil bleiben, wenn er hohen Temperaturen ausgesetzt wird, sondern auch ein starkes „dielektrisches“ Material sein, was bedeutet, dass er ein starker Isolator bleibt, wenn er hohen Spannungen ausgesetzt wird. Es gibt jedoch nur wenige bekannte Materialsysteme, die sowohl thermische Stabilität als auch Durchschlagsfestigkeit bieten. Diese Knappheit ist auf einen Mangel an zuverlässigen und praktischen Synthesemethoden sowie auf einen Mangel an grundlegendem Verständnis der Beziehung zwischen Polymerstruktur und -eigenschaften zurückzuführen. „Die Verbesserung der thermischen Stabilität bestehender Filme bei gleichzeitiger Beibehaltung ihrer elektrischen Isolierstärke ist eine ständige Materialherausforderung“, sagte 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, die Fluoratome in Verbindungen mit Schwefel-Fluorid-Bindungen austauscht, um lange Polymerketten aus Sulfatmolekülen, sogenannte Polysulfate, zu erzeugen.

Polysulfate mit hervorragenden thermischen Eigenschaften werden in flexible, freistehende Folien gegossen. Auf solchen Folien basierende Hochtemperatur-Hochspannungskondensatoren zeigen bei 150 Grad Celsius modernste Energiespeichereigenschaften. Solche Leistungskondensatoren sind vielversprechend für die Verbesserung der Energieeffizienz und Zuverlässigkeit integrierter Stromversorgungssysteme in anspruchsvollen Anwendungen wie dem elektrifizierten Transport. Bildnachweis: Yi Liu und He (Henry) Li/Berkeley Lab

Diese Schwefel-Fluorid-Austauschreaktion (SuFEx) ist eine Version der nächsten Generation der Klick-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 Scripps-Forschung. Die nahezu perfekten und dennoch einfach durchzuführenden Reaktionen verbinden separate molekulare Einheiten durch starke chemische Bindungen, die zwischen verschiedenen reaktiven Gruppen entstehen. Lius Team hatte ursprünglich verschiedene thermische Analysewerkzeuge verwendet, um die grundlegenden thermischen und mechanischen Eigenschaften dieser neuen Materialien zu untersuchen.

Im Rahmen eines Berkeley Lab-Programms zur Synthese und Identifizierung neuartiger Materialien, die für die Energiespeicherung nützlich sein könnten, stellen Liu und seine Kollegen nun überraschenderweise fest, dass die Polysulfate hervorragende dielektrische Eigenschaften aufweisen, insbesondere bei hohen elektrischen Feldern und Temperaturen. „Mehrere kommerzielle und im Labor hergestellte Polymere sind für ihre dielektrischen Eigenschaften bekannt, Polysulfate wurden jedoch nie in Betracht gezogen. Die Verbindung zwischen Polysulfaten und Dielektrika ist hier eine der Neuheiten“, sagte He Li, Postdoktorand in der Molecular Foundry und in der Abteilung für Materialwissenschaften des Berkeley Lab und Hauptautor der Studie.

Inspired by the excellent baseline dielectric properties offered by polysulfates, the researchers deposited extremely thin layers of aluminum oxide (Al2O3) onto thin films of the material to engineer capacitor devices with enhanced energy storage performance. They discovered that the fabricated capacitors exhibited excellent mechanical flexibility, withstood electric fields of more than 750 million volts per meter, and performed efficiently at temperatures up to 150 degrees CelsiusThe Celsius scale, also known as the centigrade scale, is a temperature scale named after the Swedish astronomer Anders Celsius. In the Celsius scale, 0 °C is the freezing point of water and 100 °C is the boiling point of water at 1 atm pressure." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Celsius. Im Vergleich dazu funktionieren die heutigen Benchmark-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 deutlich um mehr als die Hälfte.

Die Arbeit eröffnet neue Möglichkeiten zur Erforschung robuster, leistungsstarker Materialien für die Energiespeicherung. „Wir haben tiefe Einblicke in die zugrunde liegenden Mechanismen gewährt, die zur hervorragenden Leistung des Materials beitragen“, sagte Wu.

Das Polymer weist ein Gleichgewicht zwischen elektrischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften auf, was wahrscheinlich auf die durch die Click-Chemie-Reaktion eingeführten Sulfatbindungen zurückzuführen ist. Da die modulare Chemie eine außergewöhnliche Strukturvielfalt und Skalierbarkeit ermöglicht, könnte der gleiche Weg einen gangbaren Weg zu neuen Polymeren mit höherer Leistung bieten, die noch anspruchsvollere Betriebsbedingungen erfüllen.

Diese Polysulfate sind starke Kandidaten dafür, neue hochmoderne Polymerdielektrika zu werden. Sobald Wissenschaftler die Hindernisse bei groß angelegten Herstellungsprozessen für Dünnschichtmaterialien überwinden, könnten die Geräte die Energieeffizienz integrierter Stromversorgungssysteme in Elektrofahrzeugen erheblich verbessern und ihre Betriebszuverlässigkeit erhöhen.

„Wer hätte gedacht, dass ein dünner Sulfatpolymerfilm Blitz und Feuer abwehren könnte, zwei der zerstörerischsten Kräfte im Universum?!“ drückte Sharpless aus.

„Wir treiben die thermischen und elektrischen Eigenschaften kontinuierlich voran und beschleunigen den Übergang vom Labor zur Marktreife“, fügte Liu hinzu.

Referenz: „Hochleistungsfähige Polysulfat-Dielektrika für die elektrostatische Energiespeicherung unter rauen Bedingungen“ von He Li, Boyce S. Chang, Hyunseok Kim, Zongliang Xie, Antoine Lainé, Le Ma, Tianlei Xu, Chongqing Yang, Junpyo Kwon, Steve W. Shelton , Liana M. Klivansky, Virginia Altoé, Bing Gao, Adam M. Schwartzberg, Zongren Peng, Robert O. Ritchie, Ting Xu, Miquel Salmeron, Ricardo Ruiz, K. Barry Sharpless, Peng Wu und Yi Liu, 18. Januar 2023, Joule .DOI: 10.1016/j.joule.2022.12.010

Die Arbeit wurde vom Office of Science des Energieministeriums, der National Science Foundation und dem National Institute of Health gefördert. Die Arbeiten wurden in der Molecular Foundry durchgeführt.