Eine neue Zusammenhang, die extremer Hitze und Saft standhält, könnte zu Energiespeichern jener nächsten Generation resultieren

Die wachsende Nachfrage jener Gesellschaftssystem nachher elektrischen Hochspannungstechnologien – einschließlich gepulster Stromversorgungssysteme, Autos und elektrifizierter Flugzeuge sowie Anwendungen für jedes erneuerbare Energien – erfordert eine neue Generation von Kondensatoren, die große Energiemengen unter intensiven thermischen und elektrischen Bedingungen speichern und übergeben. Forscher des Lawrence Berkeley Nationalistisch Laboratory (Berkeley Lab) des Energieministeriums und von Scripps Research nach sich ziehen jetzt ein neues polymerbasiertes Gerät entwickelt, dies Rekordmengen an Leistung effizient handhabt und taktgesteuert extremen Temperaturen und elektrischen Feldern standhält. Dies Gerät besteht aus Materialien, die obig eine Version jener nächsten Generation jener chemischen Reaktion synthetisiert wurden, für jedes die drei Wissenschaftler den Nobelpreis für jedes Chemie 2022 erhielten.

Polymerfolienkondensatoren sind elektrische Bauelemente, die unter Verwendung einer dünnen Kunststoffschicht qua Isolierschicht Leistung in einem elektrischen Feld speichern und übergeben. Sie zeugen 50 % des globalen Marktes für jedes Hochspannungskondensatoren aus und offenstehen Vorteile wie geringes Masse, niedrige Wert, mechanische Vielseitigkeit und robuste Wiederverwendbarkeit. Moderne Polymerfolienkondensatoren nehmen jedoch mit zunehmender Temperatur und Tonus tragisch an Leistung ab. Die Evolution neuer Materialien mit verbesserter Toleranz gegensätzlich Wärme und elektrischen Feldern ist von größter Einfluss; und die Herstellung von Polymeren mit nahezu perfekter Chemie bietet eine Möglichkeit, dies zu tun.

„Unsrige Arbeit fügt dem Tisch eine neue Lebensart elektrisch robuster Polymere hinzu. Sie eröffnet viele Möglichkeiten für jedes die Untersuchung robusterer, leistungsfähigerer Materialien“, sagte Yi Liu, Laborchemiker am Berkeley Lab und leitender Dichter jener Joule-Studie, die obig die Arbeit berichtet . Liu ist Facility Director of Organic and Macromolecular Synthesis zusammen mit jener 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 selbst ein starkes „dielektrisches“ Werkstoff sein, welches bedeutet, dass er ein starker Isolator bleibt, wenn er hohen Spannungen ausgesetzt wird. Es gibt jedoch nur wenige bekannte Materialsysteme, die sowohl thermische Stabilität qua selbst dielektrische Festigkeit liefern. Selbige Mangel ist aufwärts vereinigen Not an zuverlässigen und bequemen Synthesemethoden sowie aufwärts vereinigen Not an grundlegendem Verständnis jener Kontakt zwischen Polymerstruktur und -eigenschaften zurückzuführen. „Die Verbesserung jener thermischen Stabilität bestehender Folien zusammen mit gleichzeitiger Einbehaltung ihrer elektrischen Isolierstärke ist eine ständige Herausforderung für jedes Materialien“, sagte Liu.

Eine langfristige Zusammenarbeit zwischen Forschern jener Molecular Foundry und des Scripps Research Institute hat sich dieser Herausforderung nun gestellt. Sie verwendeten eine einfache und schnelle Reaktion, die 2014 entwickelt wurde und zusammen mit jener Fluoratome in Verbindungen, die Schwefel-Fluorid-Bindungen enthalten, ausgetauscht werden, um Menorrhagie Polymerketten aus Sulfatmolekülen, sogenannten Polysulfaten, zu erhalten. Selbige Schwefel-Fluorid-Austauschreaktion (SuFEx) ist eine Version jener nächsten Generation jener Click-Chemie-Reaktion, die von Kalium. Barry Sharpless, einem Laborchemiker zusammen mit Scripps Research und zweifacher Nobelpreisträger für jedes Chemie, zusammen mit Peng Wu, ebenfalls Laborchemiker zusammen mit, entwickelt wurde Scripps-Wissenschaft. Die nahezu perfekten, zugegeben trivial durchzuführenden Reaktionen verbinden separate molekulare Einheiten durch starke chemische Bindungen, die sich zwischen verschiedenen reaktiven Gruppen vertreten. Lius Team hatte ursprünglich eine Vielzahl von thermischen Analysewerkzeugen 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 jedes die Energiespeicherung nützlich sein könnten, stellen Liu und seine Kollegen nun überraschenderweise straff, dass die Polysulfate hervorragende dielektrische Eigenschaften herausstellen, insbesondere zusammen mit hohen elektrischen Feldern und Temperaturen. „Mehrere kommerzielle und im Laboratorium hergestellte Polymere sind für jedes ihre dielektrischen Eigenschaften von Rang und Namen, zugegeben Polysulfate wurden nie in Betracht gezogen. Die Zusammenhang zwischen Polysulfaten und Dielektrika ist hier eine jener Neuheiten“, sagte He Lithium, Postdoktorand in jener Molecular Foundry und in Berkeley Lab’s Materials Sciences Division und Hauptautor jener Studie.

Inspiriert von den hervorragenden dielektrischen Basiseigenschaften von Polysulfaten lagerten die Forscher extrem dünne Schichten aus Aluminiumoxid (Al2O3) aufwärts Dünnschichten des Materials ab, um Kondensatoren mit verbesserter Energiespeicherleistung zu prosperieren. Sie entdeckten, dass die hergestellten Kondensatoren eine hervorragende mechanische Vielseitigkeit aufwiesen, elektrischen Feldern von mehr qua 750 Mio. Volt pro Meter standhielten und zusammen mit Temperaturen von solange bis zu 150 Qualität Celsius effizient funktionierten. Im Vergleich dazu tun die heutigen handelsüblichen Polymerkondensatoren nur zusammen mit Temperaturen unter 120 Qualität Celsius zuverlässig. Oberhalb dieser Temperatur können sie nur elektrischen Feldern von weniger qua 500 Mio. Volt pro Meter standhalten, und die Energieeffizienz sinkt stark um mehr qua die Hälfte.

Die Arbeit eröffnet neue Möglichkeiten zur Untersuchung robuster, hochleistungsfähiger Materialien für jedes die Energiespeicherung. „Wir nach sich ziehen tiefe Einblicke in die zugrunde liegenden Mechanismen gewährt, die zu jener hervorragenden Leistung des Materials hinzufügen“, sagte Wu.

Dies Polymer erreicht ein Gleichgewicht zwischen elektrischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften, wahrscheinlich aufgrund jener durch die Click-Chemie-Reaktion eingeführten Sulfatbindungen. Da die modulare Chemie eine außergewöhnliche strukturelle Vielfalt und Skalierbarkeit ermöglicht, könnte jener gleiche Weg vereinigen gangbaren Weg zu neuen Polymeren mit höherer Leistung offenstehen, die noch anspruchsvolleren Betriebsbedingungen gerecht werden.

Die Polysulfate sind starke Assessor darauf, neue hochmoderne Polymerdielektrika zu werden. Wenn die Forscher Hindernisse in großtechnischen Herstellungsprozessen für jedes Dünnschichtmaterialien schlagen, könnten die Geräte die Energieeffizienz integrierter Stromversorgungssysteme in Elektrofahrzeugen erheblich verbessern und ihre Betriebszuverlässigkeit potenzieren.

„Wer hätte gedacht, dass ein dünner Sulfatpolymerfilm Blitze und Feuer supprimieren könnte, zwei jener zerstörerischsten Vitalität im Universum?!“ sagte Sharpless.

„Wir erweitern kontinuierlich die Säumen jener thermischen und elektrischen Eigenschaften und beschleunigen den Übertragung vom Laboratorium zum Markt“, fügte Liu hinzu.

Die Technologie ist jetzt für jedes die Lizenzierung verfügbar, während Sie Kontakt mit uns einfügen.

Die Arbeit wurde vom Office of Science des Energieministeriums, jener Nationalistisch Science Foundation und dem Nationalistisch Institute of Health finanziert. Die Funktionieren wurden in jener Molecular Foundry durchgeführt.

Forschungsbericht:Hochleistungsfähige Polysulfat-Dielektrika für jedes die elektrostatische Energiespeicherung unter rauen Bedingungen

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Lawrence Berkeley Nationalistisch Laboratory

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