社会对高压电气技术(包括脉冲电源系统、汽车和电动飞机以及可再生能源应用)的需求不断增长，需要新一代电容器在高温和电力条件下储存和输送大量能量。能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)和斯克里普斯研究所的研究人员现已开发出一种基于聚合物的新型设备，该设备可在承受极端温度和电场的同时有效处理创纪录的能量。该设备由通过下一代化学反应合成的材料组成，三位科学家因此获得了2022 年诺贝尔化学奖。

能承受极端高温和电力的新化合物可能会导致下一代储能设备

聚合物薄膜电容器是使用薄塑料层作为绝缘层在电场内存储和释放能量的电子元件。它们占全球高压电容器市场的 50%，并具有重量轻、成本低、机械灵活性和强大的循环能力等优势。但是，随着温度和电压的升高，最先进的聚合物薄膜电容器的性能会急剧下降。开发对热场和电场具有更高耐受性的新材料至关重要;创造具有近乎完美化学性质的聚合物提供了一种方法。

“我们的工作为桌面添加了一类新型的电坚固聚合物。它为探索更坚固、高性能的材料开辟了许多可能性，”伯克利实验室的化学家、焦耳研究的资深作者 Yi Liu说 。刘是伯克利实验室能源部科学用户设施分子铸造厂的有机和大分子合成设施主任。

除了在高温下保持稳定外，电容器还需要是一种坚固的“介电”材料，这意味着它在承受高压时仍然是一个坚固的绝缘体。然而，很少有已知的材料系统能够同时提供热稳定性和介电强度。这种稀缺是由于缺乏可靠和方便的合成方法，以及缺乏对聚合物结构和性能之间关系的基本了解。“提高现有薄膜的热稳定性，同时保持其电绝缘强度是一项持续的材料挑战，”刘说。

Molecular Foundry 和斯克里普斯研究所的研究人员之间的长期合作现在已经迎接了这一挑战。他们使用了 2014 年开发的一种简单快速的化学反应，将含有硫氟键的化合物中的氟原子换掉，从而产生称为聚硫酸盐的长链硫酸盐分子聚合物。这种硫氟化物交换 (SuFEx) 反应是点击化学反应的下一代版本，由斯克里普斯研究所的化学家、两届诺贝尔化学奖获得者 K. Barry Sharpless 和斯克里普斯研究所的化学家吴鹏共同开创。近乎完美但易于运行的反应通过在不同反应基团之间形成的强化学键将不同的分子实体连接起来。刘的团队最初使用各种热分析工具来检查这些新材料的基本热学和机械性能。

作为伯克利实验室计划的一部分，该计划旨在合成和鉴定可用于储能的新型材料，刘和他的同事现在令人惊讶地发现，聚硫酸盐具有出色的介电性能，尤其是在高电场和高温下。“一些商业和实验室生产的聚合物以其介电性能而闻名，但从未考虑过聚硫酸盐。聚硫酸盐和电介质之间的结合是这里的新奇事物之一，”分子铸造厂和伯克利实验室材料科学部的博士后研究员，该研究的主要作者何力说。

受聚硫酸盐提供的优异基线介电性能的启发，研究人员将极薄的氧化铝 (Al 2 O 3 ) 层沉积到该材料的薄膜上，以设计具有增强储能性能的电容器设备。他们发现制造的电容器具有出色的机械柔韧性，可承受超过每米 7.5 亿伏特的电场，并在高达 150 摄氏度的温度下高效运行 。相比之下，当今的基准商用聚合物电容器只能在低于 120 摄氏度的温度下可靠运行。超过这个温度，它们只能承受小于每米5亿伏特的电场，能效严重下降一半以上。

这项工作为探索用于储能的坚固、高性能材料开辟了新的可能性。“我们对促成材料卓越性能的潜在机制提供了深刻的见解，”Wu 说。

该聚合物在电学、热学和机械性能方面取得了平衡，这可能是由于点击化学反应引入了硫酸盐键。由于模块化化学适应非凡的结构多样性和可扩展性，因此相同的路线可以提供一条可行的途径来获得具有更高性能的新聚合物，以满足更苛刻的操作条件。

聚硫酸盐是成为新型最先进聚合物电介质的有力竞争者。一旦研究人员克服了薄膜材料大规模制造过程中的障碍，这些设备就可以大大提高电动汽车集成电源系统的能效，并提高其运行可靠性。

“谁能想到，一层薄薄的硫酸盐聚合物薄膜可以抵御闪电和火灾，这两种宇宙中最具破坏性的力量?!” 夏普莱斯说。

“我们不断推动热性能和电性能的发展，并加速从实验室到市场的转变，”刘补充道。