Avançando: Nobel

Aug 24, 2023

Por Rachel Berkowitz, Laboratório Nacional Lawrence Berkeley 22 de agosto de 2023

Um novo tipo de composto de polissulfato pode ser usado para fazer capacitores de filme polimérico que armazenam e descarregam alta densidade de energia elétrica enquanto toleram calor e campos elétricos além dos limites dos capacitores de filme polimérico existentes. Crédito: Yi Liu e He (Henry) Li/Berkeley Lab

Polímeros flexíveis feitos com uma nova geração da reação “química de clique” ganhadora do Nobel são usados ​​em capacitores e outras aplicações.

A crescente procura da sociedade por tecnologias eléctricas de alta tensão – incluindo sistemas de energia pulsada, automóveis, aeronaves electrificadas e aplicações de energia renovável – exige uma nova geração de condensadores que armazenem e forneçam grandes quantidades de energia sob intensas condições térmicas e eléctricas.

Um novo dispositivo baseado em polímero que lida com eficiência com quantidades recordes de energia, ao mesmo tempo que resiste a temperaturas extremas e campos elétricos, foi agora desenvolvido por pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab) e da Scripps Research. O dispositivo é composto por materiais sintetizados através de uma versão de próxima geração da reação química pela qual três cientistas ganharam o Prêmio Nobel de Química de 2022.

Capacitores de filme de polímero são componentes elétricos que armazenam e liberam energia dentro de um campo elétrico usando uma fina camada de plástico como camada isolante. Eles representam cerca de 50% do mercado global de capacitores de alta tensão e oferecem vantagens que incluem peso leve, baixo custo, flexibilidade mecânica e ciclabilidade robusta. Mas os capacitores de filme de polímero de última geração diminuem drasticamente de desempenho com o aumento da temperatura e das tensões. O desenvolvimento de novos materiais com maior tolerância ao calor e aos campos elétricos é fundamental; e a criação de polímeros com uma química quase perfeita oferece uma maneira de fazer isso.

“Nosso trabalho adiciona uma nova classe de polímeros eletricamente robustos à mesa. Abre muitas possibilidades para a exploração de materiais mais robustos e de alto desempenho.”

–Yi Liu

“Nosso trabalho adiciona uma nova classe de polímeros eletricamente robustos à mesa. Isso abre muitas possibilidades para a exploração de materiais mais robustos e de alto desempenho”, disse Yi Liu, químico do Berkeley Lab e autor sênior do estudo Joule que relata o trabalho. Liu é o Diretor da Instalação de Síntese Orgânica e Macromolecular na Molecular Foundry, uma instalação de usuário do DOE Office of Science no Berkeley Lab.

Além de permanecer estável quando sujeito a altas temperaturas, um capacitor precisa ser um material “dielétrico” forte, o que significa que permanece um isolante forte quando sujeito a altas tensões. No entanto, existem poucos sistemas de materiais conhecidos que proporcionem estabilidade térmica e rigidez dielétrica. Esta escassez se deve à falta de métodos de síntese confiáveis ​​​​e convenientes, bem como à falta de compreensão fundamental da relação entre a estrutura e as propriedades do polímero. “Melhorar a estabilidade térmica dos filmes existentes e, ao mesmo tempo, manter sua resistência de isolamento elétrico é um desafio contínuo dos materiais”, disse Liu.

Uma colaboração de longo prazo entre pesquisadores da Molecular Foundry e do Scripps Research Institute superou agora esse desafio. Eles usaram uma reação química simples e rápida desenvolvida em 2014 que troca átomos de flúor em compostos que contêm ligações enxofre-fluoreto, para produzir longas cadeias poliméricas de moléculas de sulfato chamadas polissulfatos.

Polissulfatos com excelentes propriedades térmicas são moldados em filmes flexíveis e independentes. Capacitores de alta temperatura e alta tensão baseados em tais filmes apresentam propriedades de armazenamento de energia de última geração a 150 graus Celsius. Esses capacitores de potência são promissores para melhorar a eficiência energética e a confiabilidade de sistemas de energia integrados em aplicações exigentes, como transporte eletrificado. Crédito: Yi Liu e He (Henry) Li/Berkeley Lab

Esta reação de troca de enxofre-fluoreto (SuFEx) é uma versão de próxima geração da reação química click iniciada por K. Barry Sharpless, químico da Scripps Research e duas vezes ganhador do Nobel de Química, junto com Peng Wu, também químico da Pesquisa de scripts. As reações quase perfeitas, mas fáceis de executar, unem entidades moleculares separadas por meio de fortes ligações químicas que se formam entre diferentes grupos reativos. A equipe de Liu usou originalmente uma variedade de ferramentas de análise térmica para examinar as propriedades térmicas e mecânicas básicas desses novos materiais.