3 marca 2024

 

Przełomowe kondensatory z polisulfanowym dielektrykiem

Wraz z silną presją na elektryfikację pojazdów i statków powietrznych obserwujemy rosnące zapotrzebowanie na innowacje w dziedzinie budowy kondensatorów, wykorzystywanych do krótkotrwałego dostarczania mocy szczytowej w elektrycznych układach napędowych. Naukowcy z Lawrence Berkeley National Laboratory opracowali nowej generacji kondensator, zdolny obsługiwać rekordowe ilości energii elektrycznej i wytrzymywać wysoką temperaturę.

Kondensatory przechowują energię elektryczną w postaci pola elektrycznego między dwiema elektrodami rozdzielonymi dielektrykiem. Ze względu na małą masę własną, niską cenę, elastyczność i długotrwałą funkcjonalność, 50% rynku kondensatorów wysokiego napięcia stanowią kondensatory foliowe z folią polimerową jako dielektrykiem. Jednak ich wydajność znacznie spada wraz ze wzrostem temperatury i napięcia.

Niewiele materiałów polimerowych spełnia wymagania stawiane dielektrykom w foliowych kondensatorach wysokiego napięcia. Wynika to z ograniczeń dotychczasowych metod syntezy polimerów i niewystarczającego zrozumienia związku struktury polimerów z ich właściwościami. Na potrzeby kondensatora nowej generacji naukowcy z Berkeley Lab postanowili opracować dielektryk nowego typu. Do syntezy nowatorskiego materiału dielektrycznego wykorzystali metodologię chemii typu „click”, umożliwiającą przeprowadzanie szybkich i wydajnych reakcji, której twórcy zostali wyróżnieni Nagrodą Nobla w dziedzinie chemii w 2022 roku. Synteza przebiegła w ramach reakcji wymiany siarkowo-fluorkowej SuFEx (Sulfur-Fluoride Exchange), a efektem były długie łańcuchy polisulfanowe. Z cienkiej folii polisulfanowej, po naniesieniu cienkiej warstwy tlenku glinu Al2O3, powstał kondensator, zachowujący wydajność w temperaturze nawet 150 °C i wytrzymujący działanie pola elektrycznego rzędu 750 mln V/m.

Przełomowe kondensatory z polisulfanowym dielektrykiem zastosowania
Schemat budowy kondensatora wraz z przykładami potencjalnych i perspektywicznych zastosowań (rys. Yi Liu and He Li/Berkeley Lab)

Odkrycie dielektrycznego charakteru polisulfanów i dalszy rozwój technologii ich otrzymywania otwiera drogę do budowy nowej generacji kondensatorów, umożliwiających konstrukcję wydajniejszych i bardziej niezawodnych zelektryfikowanych układów napędowych.

– Któż mógłby przypuszczać, że delikatna folia polisulfanowa oprze się błyskawicy i ogniowi, dwóm najbardziej destrukcyjnym siłom we wszechświecie? – tak skomentował odkrycie Karl Barry Sharpless, dwukrotny laureat Nagrody Nobla w dziedzinie chemii.

lbl.gov