Un nouveau type de composé polysulfate peut être utilisé pour fabriquer des condensateurs à film polymère qui stockent et déchargent une haute densité d’énergie électrique tout en tolérant la chaleur et les champs électriques au-delà des limites des condensateurs à film polymère existants. Crédit : Yi Liu et He (Henry) Li/Berkeley Lab
Les polymères flexibles fabriqués avec une nouvelle génération de réaction de « chimie clic », lauréate du prix Nobel, sont utilisés dans les condensateurs et d’autres applications.
La demande croissante de la société en technologies électriques à haute tension – notamment les systèmes d’énergie pulsée, les voitures, les avions électrifiés et les applications d’énergies renouvelables – nécessite une nouvelle génération de condensateurs qui stockent et fournissent de grandes quantités d’énergie dans des conditions thermiques et électriques intenses.
Un nouveau dispositif à base de polymère qui gère efficacement des quantités d’énergie record tout en résistant à des températures et des champs électriques extrêmes a été développé par des chercheurs du laboratoire national Lawrence Berkeley du ministère de l’Énergie (Berkeley Lab) et Scripps Research. Le dispositif est composé de matériaux synthétisés via une version de nouvelle génération de la réaction chimique pour laquelle trois scientifiques ont remporté le prix Nobel de chimie 2022.
Condensateurs à film polymère : un aperçu rapide
Les condensateurs à film polymère sont des composants électriques qui stockent et libèrent de l’énergie dans un champ électrique en utilisant une fine couche de plastique comme couche isolante. Ils représentent environ 50 % du marché mondial des condensateurs haute tension et offrent des avantages tels que légèreté, faible coût, flexibilité mécanique et cyclabilité robuste. Mais les performances des condensateurs à film polymère de pointe diminuent considérablement avec l’augmentation de la température et des tensions. Le développement de nouveaux matériaux offrant une meilleure tolérance à la chaleur et aux champs électriques est primordial ; et la création de polymères dotés d’une chimie presque parfaite offre un moyen d’y parvenir.
« Notre travail ajoute une nouvelle classe de polymères électriquement robustes à la table. Cela ouvre de nombreuses possibilités pour l’exploration de matériaux plus robustes et plus performants.
– Yi Liu
« Notre travail ajoute une nouvelle classe de polymères électriquement robustes à la table. Cela ouvre de nombreuses possibilités pour l’exploration de matériaux plus robustes et plus performants », a déclaré Yi Liu, chimiste au Berkeley Lab et auteur principal de l’étude. Joule étude rendant compte des travaux. Liu est directeur des installations de synthèse organique et macromoléculaire à la Molecular Foundry, une installation utilisateur du DOE Office of Science au Berkeley Lab.
Caractéristiques et défis du condensateur
En plus de rester stable lorsqu’il est soumis à des températures élevées, un condensateur doit être un matériau « diélectrique » solide, ce qui signifie qu’il reste un isolant puissant lorsqu’il est soumis à des tensions élevées. Cependant, il existe peu de systèmes de matériaux connus offrant à la fois stabilité thermique et rigidité diélectrique. Cette rareté est due au manque de méthodes de synthèse fiables et pratiques, ainsi qu’à un manque de compréhension fondamentale de la relation entre la structure et les propriétés des polymères. « Améliorer la stabilité thermique des films existants tout en conservant leur résistance électrique isolante constitue un défi permanent en matière de matériaux », a déclaré Liu.
Une collaboration à long terme entre les chercheurs de la Molecular Foundry et du Scripps Research Institute a désormais permis de relever ce défi. Ils ont utilisé une réaction chimique simple et rapide développée en 2014 qui échange les atomes de fluor dans des composés contenant des liaisons soufre-fluorure, pour produire de longues chaînes polymères de molécules de sulfate appelées polysulfates.
Les polysulfates dotés d’excellentes propriétés thermiques sont coulés dans des films flexibles autoportants. Les condensateurs haute température et haute tension basés sur de tels films présentent des propriétés de stockage d’énergie de pointe à 150 degrés Celsius. De tels condensateurs de puissance sont prometteurs pour améliorer l’efficacité énergétique et la fiabilité des systèmes électriques intégrés dans des applications exigeantes telles que les transports électrifiés. Crédit : Yi Liu et He (Henry) Li/Berkeley Lab
Cette réaction d’échange soufre-fluorure (SuFEx) est une version de nouvelle génération de la réaction de chimie clic lancée par K. Barry Sharpless, chimiste à Scripps Research et deux fois lauréat du prix Nobel de chimie, avec Peng Wu, également chimiste à Recherche Scripps. Les réactions presque parfaites mais faciles à exécuter relient des entités moléculaires distinctes via de fortes liaisons chimiques qui se forment entre différents groupes réactifs. L’équipe de Liu avait initialement utilisé divers outils d’analyse thermique pour examiner les propriétés thermiques et mécaniques de base de ces nouveaux matériaux.
Dans le cadre d’un programme du Berkeley Lab visant à synthétiser et à identifier de nouveaux matériaux susceptibles d’être utiles dans le stockage d’énergie, Liu et ses collègues découvrent maintenant que, de manière surprenante, les polysulfates possèdent des propriétés diélectriques exceptionnelles, en particulier à des champs électriques et à des températures élevés. « Plusieurs polymères commerciaux et générés en laboratoire sont connus pour leurs propriétés diélectriques, mais les polysulfates n’avaient jamais été envisagés. Le mariage entre les polysulfates et les diélectriques est l’une des nouveautés ici », a déclaré He Li, chercheur postdoctoral à la Molecular Foundry et à la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab, et auteur principal de l’étude.
Performances des condensateurs et impact potentiel
Inspirés par les excellentes propriétés diélectriques de base offertes par les polysulfates, les chercheurs ont déposé des couches extrêmement fines d’oxyde d’aluminium (Al2Ô3) sur des couches minces du matériau pour concevoir des dispositifs à condensateur offrant des performances de stockage d’énergie améliorées. Ils ont découvert que les condensateurs fabriqués présentaient une excellente flexibilité mécanique, résistaient à des champs électriques de plus de 750 millions de volts par mètre et fonctionnaient efficacement à des températures allant jusqu’à 150 degrés. Celsius. En comparaison, les condensateurs polymères commerciaux de référence actuels ne fonctionnent de manière fiable qu’à des températures inférieures à 120 degrés Celsius. Au-dessus de cette température, ils ne peuvent résister qu’à des champs électriques inférieurs à 500 millions de volts par mètre, et leur efficacité énergétique chute de plus de moitié.
Ces travaux ouvrent de nouvelles possibilités pour explorer des matériaux robustes et performants pour le stockage d’énergie. « Nous avons fourni des informations approfondies sur les mécanismes sous-jacents qui contribuent aux excellentes performances du matériau », a déclaré Wu.
Le polymère présente un équilibre de propriétés électriques, thermiques et mécaniques, probablement en raison des liaisons sulfate introduites par la réaction chimique clic. Étant donné que la chimie modulaire s’adapte à une diversité structurelle et à une évolutivité extraordinaires, la même voie pourrait offrir une voie viable vers de nouveaux polymères aux performances plus élevées qui répondent à des conditions opérationnelles encore plus exigeantes.
Ces polysulfates sont de sérieux prétendants pour devenir de nouveaux diélectriques polymères de pointe. Une fois que les scientifiques auront surmonté les obstacles liés aux processus de fabrication à grande échelle de matériaux en couches minces, les dispositifs pourraient améliorer considérablement l’efficacité énergétique des systèmes d’alimentation intégrés dans les véhicules électriques et améliorer leur fiabilité opérationnelle.
« Qui aurait pu imaginer qu’un film polymère de sulfate vaporeux pourrait repousser la foudre et le feu, deux des forces les plus destructrices de l’univers ?! » » exprima Sharpless.
« Nous repoussons continuellement les limites des propriétés thermiques et électriques et accélérons la transition du laboratoire vers le marché », a ajouté Liu.
Les travaux ont reçu un financement du Bureau des sciences du ministère de l’Énergie, de la National Science Foundation et du National Institute of Health. Les travaux ont été réalisés à la Fonderie Moléculaire.
