극한의 열과 전기를 견디는 새로운 화합물이 다음을 이끌 수 있다

펄스 전력 시스템, 자동차, 전기 항공기, 재생 에너지 응용 분야 등 고전압 전기 기술에 대한 사회의 수요가 증가함에 따라 강렬한 열 및 전기 조건에서 많은 양의 에너지를 저장하고 전달하는 차세대 커패시터가 필요합니다. 에너지부의 로렌스 버클리 국립 연구소(Berkeley Lab)와 Scripps Research의 연구원들은 극한의 온도와 전기장을 견디면서 기록적인 양의 에너지를 효율적으로 처리하는 새로운 폴리머 기반 장치를 개발했습니다. 이 장치는 세 명의 과학자가 2022년 노벨 화학상을 수상한 차세대 화학 반응을 통해 합성된 재료로 구성됩니다.

폴리머 필름 커패시터는 얇은 플라스틱 층을 절연층으로 사용하여 전기장 내에서 에너지를 저장하고 방출하는 전기 부품입니다. 이 제품은 전 세계 고전압 커패시터 시장의 50%를 차지하며 경량, 저비용, 기계적 유연성, 견고한 순환성 등의 장점을 제공합니다. 그러나 최첨단 폴리머 필름 커패시터는 온도와 전압이 증가함에 따라 성능이 급격하게 감소합니다. 열과 전기장에 대한 내성이 향상된 새로운 재료를 개발하는 것이 무엇보다 중요합니다. 거의 완벽한 화학을 지닌 폴리머를 만드는 것이 그렇게 할 수 있는 방법을 제공합니다.

"우리의 연구는 전기적으로 견고한 새로운 종류의 폴리머를 테이블에 추가합니다. 이는 보다 견고하고 고성능인 재료를 탐색할 수 있는 많은 가능성을 열어줍니다."

– 리우 이

Berkeley Lab의 화학자이자 Joule 연구의 수석 저자인 Yi Liu는 "우리의 연구는 새로운 종류의 전기적으로 견고한 폴리머를 테이블에 추가합니다. 이는 보다 견고하고 고성능 재료를 탐색할 수 있는 많은 가능성을 열어줍니다."라고 말했습니다. . Liu는 Berkeley Lab의 DOE Office of Science 사용자 시설인 Molecular Foundry의 유기 및 거대분자 합성 시설 책임자입니다.

고온에 노출될 때 안정성을 유지하는 것 외에도 커패시터는 강력한 "유전체" 재료여야 합니다. 즉, 고전압에 노출될 때에도 강력한 절연체로 유지됩니다. 그러나 열 안정성과 유전 강도를 모두 제공하는 알려진 재료 시스템은 거의 없습니다. 이러한 희소성은 신뢰성 있고 편리한 합성 방법이 부족하고 폴리머 구조와 특성 간의 관계에 대한 근본적인 이해가 부족하기 때문입니다. Liu는 “전기 절연 강도를 유지하면서 기존 필름의 열 안정성을 향상시키는 것이 현재 진행 중인 재료 과제”라고 말했습니다.

Molecular Foundry 연구원과 Scripps 연구소 간의 장기적인 협력을 통해 이제 이러한 과제를 해결했습니다. 그들은 2014년에 개발된 간단하고 빠른 화학 반응을 사용하여 황-불화물 결합을 포함하는 화합물의 불소 원자를 교환하여 폴리황산염이라고 불리는 황산염 분자의 긴 폴리머 사슬을 생성했습니다. 이 SuFEx(황-불화물 교환) 반응은 Scripps Research의 화학자이자 노벨 화학상을 두 번 수상한 K. Barry Sharpless와 Peng Wu가 공동으로 개척한 클릭 화학 반응의 차세대 버전입니다. 스크립스 리서치. 거의 완벽하지만 실행하기 쉬운 반응은 서로 다른 반응성 그룹 사이에 형성되는 강력한 화학 결합을 통해 별도의 분자 실체를 결합합니다. Liu 팀은 원래 다양한 열 분석 도구를 사용하여 이러한 신소재의 기본 열적 및 기계적 특성을 조사했습니다.

에너지 저장에 유용할 수 있는 새로운 물질을 합성하고 식별하기 위한 버클리 연구소 프로그램의 일환으로 Liu와 그의 동료들은 놀랍게도 폴리설페이트가 특히 높은 전기장과 온도에서 탁월한 유전 특성을 갖는다는 사실을 발견했습니다. Molecular Foundry와 Berkeley의 박사후 연구원인 He Li는 "여러 상업용 및 실험실에서 생성된 폴리머는 유전체 특성으로 알려져 있지만 폴리설페이트는 고려된 적이 없습니다. 폴리설페이트와 유전체의 결합은 여기서 참신한 것 중 하나입니다."라고 말했습니다. 연구실의 재료 과학 부서이자 연구의 주요 저자입니다.