Растущий запрос общества на высоковольтные электротехнологии, включая импульсные энергосистемы, электрифицированные автомобили и самолеты, а также возобновляемые источники энергии, требует новых конденсаторов следующего поколения. Научные исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли и Scripps Research создали новый полимерный конденсатор, способный обрабатывать рекордные энергетические объемы в экстремальных условиях. Этот новый материал основан на химической реакции следующего поколения, за которую ученые получили Нобелевскую премию по химии в 2022 году.

Полимерные пленочные конденсаторы — это электрические компоненты, которые могут хранить и выделять энергию в электрических полях, используя тонкий слой пластика в качестве диэлектрического материала. Они составляют около половины мирового рынка высоковольтных конденсаторов и обладают такими преимуществами, как легкий вес, низкая стоимость и надежность при многократном использовании. Однако с повышением температуры и напряжения производительность современных полимерных пленочных конденсаторов снижается. Создание новых материалов с улучшенной устойчивостью к теплу и электрическим полям становится ключевой задачей.

Источник: Berkeley Lab.
Полисульфаты с отличными термическими свойствами отливаются в гибкие отдельно стоящие пленки. Высокотемпературные высоковольтные конденсаторы на основе таких пленок демонстрируют современные свойства накопления энергии при температуре 150 градусов Цельсия.

Этот новый полимерный конденсатор должен не только оставаться стабильным при высоких температурах, но и быть прочным диэлектрическим материалом, то есть сохранять свои изоляционные свойства при высоких напряжениях. Существует несколько материалов, обладающих либо термической стабильностью, либо диэлектрической прочностью, но не оба сразу. Эта проблема решается с использованием новой химической реакции, названной реакцией обмена серы и фтора (SuFEx). Эта реакция была разработана несколько лет назад и позволяет создавать полимеры с уникальными свойствами.

Сотрудничество между исследователями из Молекулярного литейного завода и Scripps Research позволило разработать новый полимерный материал. Они использовали простую и эффективную химическую реакцию, которая позволяет создавать длинные полимерные цепочки сульфата. Эта реакция была первоначально разработана К. Барри Шарплессом, лауреатом Нобелевской премии по химии, и другими исследователями. Эти новые полимеры обладают уникальными свойствами, обеспечивающими баланс между электрическими, термическими и механическими характеристиками.

Эти новые полисульфатные материалы представляют собой потенциальных претендентов на звание современных диэлектриков. После решения проблем в процессе масштабного производства тонкопленочных материалов, они могут существенно улучшить эффективность энергопотребления в интегрированных энергетических системах, таких как электромобили, и повысить надежность их работы.