Avanzando: Nobel

Aug 24, 2023

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

Se puede utilizar un nuevo tipo de compuesto de polisulfato para fabricar condensadores de película de polímero que almacenan y descargan una alta densidad de energía eléctrica mientras toleran el calor y los campos eléctricos más allá de los límites de los condensadores de película de polímero existentes. Crédito: Yi Liu y He (Henry) Li/Berkeley Lab

Los polímeros flexibles fabricados con una nueva generación de la reacción de “química de clic” ganadora del Nobel encuentran uso 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 próxima generación de la reacción química por la que tres científicos ganaron el Premio Nobel de Química 2022.

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 polimérica de última generación disminuye drásticamente al aumentar la temperatura y los voltajes. Es fundamental desarrollar nuevos materiales con mayor tolerancia al calor y a los campos eléctricos; 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 a la exploración de materiales más robustos y de alto rendimiento”.

-Yi Liu

“Nuestro trabajo añade una nueva clase de polímeros eléctricamente robustos a la mesa. Abre muchas posibilidades para la exploración de materiales más robustos y de alto rendimiento”, dijo Yi Liu, químico del Laboratorio de 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.

Además de permanecer estable cuando se somete a altas temperaturas, un condensador debe ser un material "dieléctrico" fuerte, lo que significa que sigue siendo un aislante fuerte 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 confiables 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 fuerza aislante eléctrica 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 ese 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 independientes y flexibles. Los condensadores de alta temperatura y alto voltaje basados ​​en estas películas muestran propiedades de almacenamiento de energía de última generación 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 azufre-fluoruro (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, también químico de Investigación Scripps. Las 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 había utilizado 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 ahora descubren que, sorprendentemente, los polisulfatos tienen propiedades dieléctricas excepcionales, especialmente en campos eléctricos y temperaturas elevados. “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 novedades aquí”, dijo He Li, investigador postdoctoral en Molecular Foundry y en la División de Ciencias de Materiales del Laboratorio de Berkeley, y autor principal del estudio.

Inspired by the excellent baseline dielectric properties offered by polysulfates, the researchers deposited extremely thin layers of aluminum oxide (Al2O3) onto thin films of the material to engineer capacitor devices with enhanced energy storage performance. They discovered that the fabricated capacitors exhibited excellent mechanical flexibility, withstood electric fields of more than 750 million volts per meter, and performed efficiently at temperatures up to 150 degrees CelsiusThe Celsius scale, also known as the centigrade scale, is a temperature scale named after the Swedish astronomer Anders Celsius. In the Celsius scale, 0 °C is the freezing point of water and 100 °C is the boiling point of water at 1 atm pressure." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Celsius. En comparación, los condensadores de polímero comerciales de referencia actuales sólo funcionan de forma fiable a temperaturas inferiores a 120 grados Celsius. Por encima de esa temperatura, sólo pueden soportar campos eléctricos inferiores a 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. "Hemos proporcionado un conocimiento profundo de los mecanismos subyacentes que contribuyen al excelente rendimiento del material", dijo Wu.

El polímero logra un equilibrio de propiedades eléctricas, térmicas y mecánicas, probablemente debido a los enlaces sulfato introducidos por la reacción química del clic. Debido a 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 mayor rendimiento que cumplan condiciones operativas aún más exigentes.

Estos polisulfatos son fuertes contendientes para convertirse en nuevos dieléctricos poliméricos de última 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 en gran medida la eficiencia energética de los sistemas de energía integrados en vehículos eléctricos y mejorar su confiabilidad operativa.

"¿Quién podría haber imaginado que una fina película de polímero de sulfato podría defenderse de los rayos y el fuego, dos de las fuerzas más destructivas del universo?" expresó Sharpless.

"Estamos continuamente ampliando 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 el 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 el Instituto Nacional de Salud. El trabajo se realizó en la Fundición Molecular.