诺贝尔获奖化学成果催生下一代储能设备

来源：cnBeta 　2023-08-23 05:54:05

社会对高压电技术（包括脉冲电源系统、汽车、电气化飞机和可再生能源应用）的需求日益增长，这就需要新一代电容器能在强热和强电条件下存储和提供大量能量，美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）和斯克里普斯研究所的研究人员已经开发出一种新型聚合物设备，它能在承受极端温度和电场的同时有效处理创纪录的能量。

(资料图)

该装置由通过新一代化学反应合成的材料组成，三位科学家因此获得了 2022 年诺贝尔化学奖。

聚合物薄膜电容器是一种电气元件，利用薄塑料层作为绝缘层，在电场中存储和释放能量。聚合物薄膜电容器约占全球高压电容器市场的 50%，具有重量轻、成本低、机械灵活性强、可循环使用等优点。但是，最先进的聚合物薄膜电容器的性能会随着温度和电压的升高而急剧下降。开发耐热性和耐电场性更强的新材料至关重要；而创造化学性近乎完美的聚合物则提供了实现这一目标的途径。

"我们的研究为电稳健聚合物增添了一个新类别。它为探索更坚固、更高性能的材料开辟了许多可能性，"伯克利实验室化学家、报告这项工作的焦耳研究的资深作者 Yi Liu 说。Liu是伯克利实验室能源部科学办公室用户设施分子铸造厂的有机和大分子合成设施主任。

除了在高温下保持稳定之外，电容器还需要是一种强"介电"材料，这意味着它在承受高电压时仍是一种强绝缘体。然而，目前已知的材料系统很少能同时提供热稳定性和介电强度。造成这种稀缺性的原因是缺乏可靠、方便的合成方法，以及对聚合物结构与性能之间关系缺乏基本了解。刘说："提高现有薄膜的热稳定性，同时保持其电绝缘强度，是一项持续的材料挑战。"

分子铸造厂的研究人员与斯克里普斯研究所的研究人员长期合作，现已解决了这一难题。他们利用 2014 年开发的一种简单快速的化学反应，将含氟硫键化合物中的氟原子置换出来，生成了名为聚硫酸盐的硫酸盐分子长聚合物链。

多硫酸盐具有优异的热性能，可浇铸成柔韧的独立薄膜。以这种薄膜为基础的高温高压电容器在 150 摄氏度的高温下显示出最先进的储能特性。这种电力电容器有望提高电气化交通等高要求应用中集成电力系统的能效和可靠性。资料来源：Yi Liu 和 He (Henry) Li/伯克利实验室

这种氟化硫交换（SuFEx）反应是由斯克里普斯研究所化学家、两届诺贝尔化学奖得主巴里-夏普莱斯（K. Barry Sharpless）与同为斯克里普斯研究所化学家的吴鹏（Peng Wu）共同开创的点击化学反应的下一代版本。这种近乎完美而又易于操作的反应通过不同反应基团之间形成的强化学键将独立的分子实体连接起来。Liu的团队最初使用各种热分析工具来研究这些新材料的基本热性能和机械性能。

作为伯克利实验室合成和鉴定可用于储能的新型材料计划的一部分，Liu和他的同事们现在发现，令人惊讶的是，聚硫酸盐具有出色的介电性能，尤其是在高电场和高温度下。"有几种商用和实验室生成的聚合物因其介电性能而闻名，但聚硫酸盐从未被考虑过。

分子铸造厂和伯克利实验室材料科学部的博士后研究员、本研究的第一作者 He Li 说："多硫酸盐与介电质的结合是本研究的新颖之处之一。Liu

受到多硫酸盐优异的基线介电性能的启发，研究人员在这种材料的薄膜上沉积了极薄的氧化铝（Al2O3）层，从而设计出了具有更强储能性能的电容器设备。他们发现，制造出的电容器具有出色的机械柔韧性，能承受每米超过 7.5 亿伏特的电场，并能在高达 150 摄氏度的温度下高效工作。相比之下，目前的基准商用聚合物电容器只能在低于 120 摄氏度的温度下稳定工作。超过这个温度，它们只能承受每米小于 5 亿伏特的电场，能效严重下降一半以上。

这项工作为探索坚固耐用的高性能储能材料提供了新的可能性。吴说："我们深入了解了这种材料具有卓越性能的内在机理。"

这种聚合物兼顾了电学、热学和机械性能，这很可能得益于点击化学反应中引入的硫酸盐连接。由于模块化化学反应具有非凡的结构多样性和可扩展性，因此同样的途径可以提供一条通往性能更高的新型聚合物的可行之路，从而满足更苛刻的操作条件。

这些聚硫酸盐是成为最先进的新型聚合物电介质的有力竞争者。一旦科学家们克服了薄膜材料大规模制造工艺的障碍，这些设备就能极大地提高电动汽车集成动力系统的能效，并增强其运行可靠性。

夏普勒斯说："谁能想到，一层微弱的硫酸盐聚合物薄膜能抵御闪电和火焰这两种宇宙中最具破坏力的力量呢？"

"我们正在不断突破热性能和电性能的极限，加速从实验室到市场的转变，"Liu 补充道。

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