Neu entwickelte Polysulfate könnten breite Anwendung in Hochleistungselektronikkomponenten finden

Laut einer Studie von Chemikern und Materialwissenschaftlern von Scripps Research und dem Lawrence Berkeley National Laboratory ( LNB).

In der Studie, veröffentlicht am 18. Januar in Joulestellten die Wissenschaftler fest, dass die neuen Polysulfate zur Herstellung von Polymerfolienkondensatoren verwendet werden können, die elektrische Energie mit hoher Dichte speichern und entladen und gleichzeitig Hitze und elektrische Felder über die Grenzen bestehender Polymerfolienkondensatoren hinaus tolerieren.

„Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass energiespeichernde Kondensatoren und andere Geräte auf der Basis dieser neuen Polysulfate eine breite Anwendung finden könnten, auch in Stromversorgungssystemen von Elektrofahrzeugen“, sagt Peng Wu, Ph.D., Mitautor der Studie und Professor an der Abteilung für Molekulare Medizin bei Scripps Research.

Die anderen Co-Senior-Autoren waren K. Barry Sharpless, Ph.D., WM Keck-Professor für Chemie bei Scripps Research, und Yi Liu, Ph.D., Facility Director for Organic and Macromolecular Synthesis bei LBNL’s Molecular Foundry, einer multidisziplinären Einrichtung für die wissenschaftliche und technische Erforschung neuer Materialien.

Die Labors von Sharpless und Wu synthetisierten kürzlich viele zuvor unzugängliche Polysulfate unter Verwendung der Schwefelfluorid-Austauschreaktion (SuFEx), die im Sharpless-Labor entdeckt wurde. SuFEx ist Teil einer wachsenden Reihe von Methoden zum Aufbau von Molekülen, die aufgrund ihrer hohen Effizienz und einfachen Reaktionsanforderungen als Klick-Chemie bekannt sind. Sharpless wurde für seine bahnbrechenden Arbeiten zu Klick-Chemie-Methoden mit einem Anteil des Nobelpreises für Chemie 2022 ausgezeichnet.

Bei Untersuchungen im Labor von Liu in der Molecular Foundry von LBNL entdeckten die Forscher, dass einige der neuen Polysulfate überlegene „dielektrische“ Eigenschaften haben. Dielektrische Materialien sind elektrische Isolatoren, bei denen sich positive und negative Ladungen trennen – im Endeffekt Energie speichernd – wenn die Materialien elektrischen Feldern ausgesetzt werden. Sie werden in Kondensatoren, Transistoren und anderen allgegenwärtigen Komponenten moderner elektronischer Schaltungen verwendet.

Viele der gegenwärtig verwendeten dielektrischen Materialien sind leichte, flexible, kunststoffähnliche Materialien, die als Polymere bezeichnet werden. Die neuen Polysulfate sind ebenfalls Polymere, haben aber stark verbesserte Eigenschaften im Vergleich zu kommerziellen dielektrischen Polymeren. Das Team fand heraus, dass Kondensatoren aus einem der neuen Polysulfate, wenn sie mit einem dünnen Aluminiumoxidfilm verstärkt wurden, eine hohe Energiedichte entladen konnten, während sie elektrischen Feldern (mehr als 700 Millionen Volt pro Meter) und Temperaturen (150 Grad C) standhalten ), die die am weitesten verbreiteten Polymerfolienkondensatoren zerstören würden.

Die Forscher stellten fest, dass die Hitzeempfindlichkeit von Standard-Polymerkondensatoren oft teure und umständliche Kühlmaßnahmen in Systemen erfordert, in denen sie verwendet werden – beispielsweise in einigen Elektroautomodellen. Daher könnte die Einführung der neuen Polysulfat-Dielektrika zu billigeren, einfacheren und langlebigeren Stromversorgungssystemen in Elektroautos und vielen anderen Anwendungen führen, sagen sie.

„Ich war zuerst sehr überrascht und bin es immer noch – ich denke, wir alle sind es. Wie kann eine klassische Kraft aus dem Bereich der Physik, wie die elektrische Feldkraft, durch einen dünnen chemischen Polymerfilm auf ihrem Weg moduliert werden? Die Ergebnisse sprechen jedoch für sich selbst und jetzt scheint ein guter Zeitpunkt zu sein, dieses Rätsel zu teilen“, sagt Sharpless.

Die Forscher synthetisieren und untersuchen weiterhin neue Polysulfate, um einige mit noch besseren Eigenschaften zu finden.

„Die Polysulfatpolymere, die wir in dieser Studie untersucht haben, können bei 150 Grad C sehr gut abschneiden, aber wir glauben, dass wir verwandte Polysulfate finden können, die 200 bis 250 Grad C mit wenig oder keinem Funktionsverlust aushalten“, sagt Liu.