Se puede utilizar un nuevo tipo de compuesto de polisulfato para fabricar condensadores de película polimérica que almacenen y descarguen energía eléctrica de alta densidad mientras toleran el calor y los campos eléctricos más allá de los límites de los condensadores de película polimérica existentes. Crédito: Yi Liu y He (Henry) Li/Berkeley Lab
Los polímeros flexibles fabricados con una nueva generación de la reacción de “química clic” ganadora del Nobel se utilizan en condensadores y otras aplicaciones.
La creciente demanda de tecnologías eléctricas de alto voltaje por parte de la sociedad (incluidos sistemas de energía pulsada, automóviles, aviones electrificados y aplicaciones de energía renovable) requiere una nueva generación de condensadores que almacenen y entreguen grandes cantidades de energía en condiciones térmicas y eléctricas intensas.
Investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) y Scripps Research del Departamento de Energía han desarrollado un nuevo dispositivo basado en polímeros que maneja eficientemente cantidades récord de energía mientras resiste temperaturas extremas y campos eléctricos. El dispositivo está compuesto de materiales sintetizados mediante una versión de última generación de la reacción química por la que tres científicos ganaron el Premio Nobel de Química 2022.
Condensadores de película polimérica: una descripción general rápida
Los condensadores de película polimérica son componentes eléctricos que almacenan y liberan energía dentro de un campo eléctrico utilizando una fina capa de plástico como capa aislante. Representan alrededor del 50% del mercado mundial de condensadores de alto voltaje y ofrecen ventajas que incluyen peso ligero, bajo costo, flexibilidad mecánica y ciclabilidad robusta. Pero el rendimiento de los condensadores de película de polímero de alta gama disminuye drásticamente a medida que aumentan las temperaturas y los voltajes. El desarrollo de nuevos materiales con mayor tolerancia al calor y a los campos eléctricos es fundamental; y la creación de polímeros con una química casi perfecta ofrece una manera de hacerlo.
“Nuestro trabajo añade una nueva clase de polímeros eléctricamente robustos a la mesa. Abre muchas posibilidades para explorar materiales más robustos y de alto rendimiento”.
–Yi Liu
“Nuestro trabajo añade una nueva clase de polímeros eléctricamente robustos a la mesa. Esto abre muchas posibilidades para explorar materiales más robustos y de alto rendimiento”, dijo Yi Liu, químico del Laboratorio Berkeley y autor principal del estudio Joule que informa sobre el trabajo. Liu es el Director de la Instalación de Síntesis Orgánica y Macromolecular en Molecular Foundry, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en Berkeley Lab.
Las características y desafíos del condensador
Además de permanecer estable cuando se somete a altas temperaturas, un condensador debe ser un material «dieléctrico» resistente, lo que significa que sigue siendo un aislante resistente cuando se somete a altos voltajes. Sin embargo, existen pocos sistemas de materiales conocidos que proporcionen estabilidad térmica y rigidez dieléctrica. Esta escasez se debe a la falta de métodos de síntesis fiables y convenientes, así como a la falta de comprensión fundamental de la relación entre la estructura y las propiedades del polímero. «Mejorar la estabilidad térmica de las películas existentes manteniendo al mismo tiempo su resistencia de aislamiento eléctrico es un desafío constante para los materiales», dijo Liu.
Una colaboración a largo plazo entre investigadores de Molecular Foundry y el Instituto de Investigación Scripps ha superado este desafío. Utilizaron una reacción química simple y rápida desarrollada en 2014 que intercambia átomos de flúor en compuestos que contienen enlaces azufre-fluoruro, para producir largas cadenas poliméricas de moléculas de sulfato llamadas polisulfatos.
Los polisulfatos con excelentes propiedades térmicas se moldean en películas flexibles y autónomas. Los condensadores de alta temperatura y alto voltaje basados en este tipo de películas presentan propiedades modernas de almacenamiento de energía a 150 grados Celsius. Estos condensadores de potencia son prometedores para mejorar la eficiencia energética y la confiabilidad de los sistemas de energía integrados en aplicaciones exigentes como el transporte electrificado. Crédito: Yi Liu y He (Henry) Li/Berkeley Lab
Esta reacción de intercambio de fluoruro de azufre (SuFEx) es una versión de próxima generación de la reacción química de clic iniciada por K. Barry Sharpless, químico de Scripps Research y dos veces premio Nobel de Química, junto con Peng Wu, compañero químico de Scripps Research. .de guiones. Reacciones casi perfectas pero fáciles de ejecutar unen entidades moleculares separadas a través de fuertes enlaces químicos que se forman entre diferentes grupos reactivos. El equipo de Liu utilizó originalmente una variedad de herramientas de análisis térmico para examinar las propiedades térmicas y mecánicas básicas de estos nuevos materiales.
Como parte de un programa del Laboratorio de Berkeley para sintetizar e identificar nuevos materiales que podrían ser útiles en el almacenamiento de energía, Liu y sus colegas están descubriendo que, sorprendentemente, los polisulfatos tienen excelentes propiedades dieléctricas, especialmente en campos eléctricos y temperaturas elevadas. “Varios polímeros comerciales y generados en laboratorio son conocidos por sus propiedades dieléctricas, pero nunca se habían considerado los polisulfatos. La unión entre polisulfatos y dieléctricos es una de las cosas nuevas aquí”, dijo He Li, investigador postdoctoral de la División de Ciencias de Materiales y Fundición Molecular del Laboratorio de Berkeley y autor principal del estudio.
Rendimiento del condensador e impacto potencial.
Inspirándose en las excelentes propiedades dieléctricas básicas que ofrecen los polisulfatos, los investigadores depositaron capas extremadamente delgadas de óxido de aluminio (Al2O3) sobre películas delgadas del material para diseñar dispositivos condensadores con un rendimiento de almacenamiento de energía mejorado. Descubrieron que los condensadores fabricados exhibían una excelente flexibilidad mecánica, resistían campos eléctricos de más de 750 millones de voltios por metro y operaban eficientemente a temperaturas de hasta 150 grados Celsius. En comparación, los condensadores de polímero de referencia comerciales actuales sólo funcionan de forma fiable a temperaturas inferiores a 120 grados Celsius. Por encima de esta temperatura, sólo pueden soportar campos eléctricos de menos de 500 millones de voltios por metro, y la eficiencia energética cae drásticamente a más de la mitad.
El trabajo abre nuevas posibilidades para explorar materiales robustos y de alto rendimiento para el almacenamiento de energía. «Ofrecemos conocimientos profundos sobre los mecanismos subyacentes que contribuyen al excelente rendimiento del material», dijo Wu.
El polímero logra un equilibrio entre propiedades eléctricas, térmicas y mecánicas, probablemente debido a los enlaces sulfato introducidos por la reacción química de clic. Dado que la química modular se adapta a una extraordinaria diversidad estructural y escalabilidad, la misma ruta podría ofrecer un camino viable hacia nuevos polímeros con un rendimiento superior que cumplan condiciones operativas aún más exigentes.
Estos polisulfatos son fuertes candidatos para convertirse en nuevos dieléctricos poliméricos de próxima generación. Una vez que los científicos superen las barreras en los procesos de fabricación a gran escala de materiales de película delgada, los dispositivos podrían mejorar significativamente la eficiencia energética de los sistemas de energía integrados en los vehículos eléctricos y aumentar su confiabilidad operativa.
“¿Quién hubiera pensado que una fina película de polímero de sulfato podría protegerse de los rayos y el fuego, dos de las fuerzas más destructivas del universo?” expresó Sharpless.
«Estamos continuamente superando los límites de las propiedades térmicas y eléctricas y acelerando la transición del laboratorio al mercado», añadió Liu.
Referencia: “Dieléctricos de polisulfato de alto rendimiento para almacenamiento de energía electrostática en condiciones difíciles” por 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 y Yi Liu, 18 de enero de 2023, Joule.
DOI: 10.1016/j.julio.2022.12.010
El trabajo recibió financiación de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía, la Fundación Nacional de Ciencias y los Institutos Nacionales de Salud y se realizó en Molecular Foundry.
