前進への力：ノーベル賞

Aug 24, 2023

ローレンス・バークレー国立研究所、レイチェル・バーコウィッツ著 2023 年 8 月 22 日

新しいタイプのポリ硫酸塩化合物を使用して、既存のポリマー フィルム コンデンサの限界を超える熱と電界に耐えながら、高密度の電気エネルギーを貯蔵および放出するポリマー フィルム コンデンサを製造できます。 クレジット: Yi Liu および He (Henry) Li/バークレー研究所

ノーベル賞を受賞した新世代の「クリックケミストリー」反応で作られた柔軟なポリマーは、コンデンサーやその他の用途に使用されています。

パルス電源システム、自動車、電動航空機、再生可能エネルギー用途など、高電圧電気技術に対する社会の需要が高まっているため、激しい熱的および電気的条件下で大量のエネルギーを貯蔵および供給する新世代のコンデンサが必要です。

極端な温度や電場に耐えながら記録的な量のエネルギーを効率的に処理する新しいポリマーベースのデバイスが、エネルギー省のローレンス・バークレー国立研究所（バークレー研究所）とスクリップス研究所の研究者らによって開発された。 この装置は、3 人の科学者が 2022 年のノーベル化学賞を受賞した化学反応の次世代バージョンを介して合成された材料で構成されています。

ポリマー フィルム コンデンサは、薄いプラスチック層を絶縁層として使用し、電界内でエネルギーを蓄積および放出する電気部品です。 これらは世界の高電圧コンデンサ市場の約 50% を占めており、軽量、低コスト、機械的柔軟性、堅牢なサイクル可能性などの利点を備えています。 しかし、最先端のポリマーフィルムコンデンサは、温度と電圧が上昇すると性能が大幅に低下します。 熱と電界に対する耐性が向上した新素材を開発することが最も重要です。 そして、ほぼ完璧な化学的性質を持つポリマーを作成することで、その方法が提供されます。

「私たちの研究は、新しいクラスの電気的に堅牢なポリマーをテーブルに加えます。 これにより、より堅牢で高性能な材料の探求に多くの可能性が開かれます。」

– イー・リウ

「私たちの研究は、新しいクラスの電気的に堅牢なポリマーをテーブルに加えます。 これにより、より堅牢で高性能な材料の探索に多くの可能性が開かれます」と、バークレー研究所の化学者であり、この研究を報告するジュール研究の上級著者であるイー・リウ氏は述べた。 Liu は、バークレー研究所の DOE 科学局ユーザー施設である Molecular Foundry の有機および高分子合成の施設ディレクターです。

コンデンサは、高温にさらされても安定であることに加えて、強力な「誘電体」材料である必要があります。これは、高電圧にさらされても強力な絶縁体を維持することを意味します。 しかし、熱安定性と絶縁耐力の両方を実現する既知の材料系はほとんど存在しません。 この不足は、信頼性が高く便利な合成方法が不足していること、およびポリマーの構造と特性の関係についての基本的な理解が不足していることが原因です。 「電気絶縁強度を維持しながら既存のフィルムの熱安定性を改善することは、材料に関する継続的な課題です」と Liu 氏は述べています。

Molecular Foundry と Scripps Research Institute の研究者間の長期にわたる協力により、この課題に対処することができました。 彼らは、2014年に開発された、硫黄-フッ化物結合を含む化合物のフッ素原子を交換する単純かつ迅速な化学反応を利用して、ポリ硫酸塩と呼ばれる硫酸塩分子の長いポリマー鎖を生成した。

優れた熱特性を持つポリ硫酸塩は、柔軟な自立フィルムにキャストされます。 このようなフィルムをベースにした高温高電圧コンデンサは、摂氏 150 度で最先端のエネルギー貯蔵特性を示します。 このようなパワーコンデンサは、電化輸送などの要求の厳しい用途における統合電源システムのエネルギー効率と信頼性を向上させるのに有望です。 クレジット: Yi Liu および He (Henry) Li/バークレー研究所

この硫黄-フッ化物交換（SuFEx）反応は、スクリップス研究所の化学者であり、2度ノーベル化学賞を受賞したK.バリー・シャープレス氏と、同じく化学者の彭呉氏が開拓したクリックケミストリー反応の次世代バージョンである。スクリップス研究。 ほぼ完璧でありながら簡単に実行できるこの反応は、異なる反応性基の間に形成される強力な化学結合を介して、別々の分子実体を結合します。 Liu のチームは当初、さまざまな熱解析ツールを使用して、これらの新しい材料の基本的な熱的および機械的特性を調べていました。