Avanti tutta: Nobel

Aug 24, 2023

Di Rachel Berkowitz, Lawrence Berkeley National Laboratory, 22 agosto 2023

Un nuovo tipo di composto polisolfato può essere utilizzato per realizzare condensatori a film polimerico che immagazzinano e scaricano un'elevata densità di energia elettrica tollerando al contempo calore e campi elettrici oltre i limiti dei condensatori a film polimerico esistenti. Crediti: Yi Liu e He (Henry) Li/Berkeley Lab

I polimeri flessibili realizzati con una nuova generazione della reazione “click chemistry”, vincitrice del Nobel, trovano impiego nei condensatori e in altre applicazioni.

La crescente domanda della società di tecnologie elettriche ad alta tensione – inclusi sistemi di alimentazione a impulsi, automobili, aerei elettrificati e applicazioni di energia rinnovabile – richiede una nuova generazione di condensatori che immagazzinino e forniscano grandi quantità di energia in condizioni termiche ed elettriche intense.

Un nuovo dispositivo a base di polimeri che gestisce in modo efficiente quantità record di energia resistendo a temperature estreme e campi elettrici è stato ora sviluppato dai ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell’Energia e da Scripps Research. Il dispositivo è composto da materiali sintetizzati tramite una versione di prossima generazione della reazione chimica per la quale tre scienziati hanno vinto il Premio Nobel per la Chimica 2022.

I condensatori a film polimerico sono componenti elettrici che immagazzinano e rilasciano energia all'interno di un campo elettrico utilizzando un sottile strato di plastica come strato isolante. Rappresentano circa il 50% del mercato globale dei condensatori ad alta tensione e offrono vantaggi tra cui leggerezza, basso costo, flessibilità meccanica e robusta ciclabilità. Ma i condensatori a film polimerico all'avanguardia diminuiscono drasticamente in termini di prestazioni con l'aumento della temperatura e della tensione. Lo sviluppo di nuovi materiali con una migliore tolleranza al calore e ai campi elettrici è fondamentale; e la creazione di polimeri con una chimica quasi perfetta offre un modo per farlo.

“Il nostro lavoro aggiunge al tavolo una nuova classe di polimeri elettricamente robusti. Apre molte possibilità all’esplorazione di materiali più robusti e ad alte prestazioni”.

– Yi Liu

“Il nostro lavoro aggiunge al tavolo una nuova classe di polimeri elettricamente robusti. Apre molte possibilità all’esplorazione di materiali più robusti e ad alte prestazioni”, ha affermato Yi Liu, chimico del Berkeley Lab e autore senior dello studio Joule che riporta il lavoro. Liu è il direttore della struttura di sintesi organica e macromolecolare presso la Molecular Foundry, una struttura utilizzata dal DOE Office of Science presso il Berkeley Lab.

Oltre a rimanere stabile quando sottoposto ad alte temperature, un condensatore deve essere un materiale “dielettrico” resistente, il che significa che rimane un forte isolante quando sottoposto ad alte tensioni. Tuttavia, esistono pochi sistemi di materiali conosciuti che garantiscono sia stabilità termica che rigidità dielettrica. Questa scarsità è dovuta alla mancanza di metodi di sintesi affidabili e convenienti, nonché alla mancanza di una comprensione fondamentale della relazione tra struttura e proprietà del polimero. “Migliorare la stabilità termica delle pellicole esistenti pur mantenendo la loro resistenza all’isolamento elettrico è una sfida continua per i materiali”, ha affermato Liu.

Una collaborazione a lungo termine tra i ricercatori della Molecular Foundry e dello Scripps Research Institute ha ora raccolto questa sfida. Hanno utilizzato una reazione chimica semplice e rapida sviluppata nel 2014 che scambia gli atomi di fluoro nei composti che contengono legami zolfo-fluoruro, per produrre lunghe catene polimeriche di molecole di solfato chiamate polisolfati.

Polisolfati con eccellenti proprietà termiche vengono colati in pellicole flessibili e autoportanti. I condensatori ad alta temperatura e alta tensione basati su tali pellicole mostrano proprietà di stoccaggio dell'energia all'avanguardia a 150 gradi Celsius. Tali condensatori di potenza sono promettenti per migliorare l’efficienza energetica e l’affidabilità dei sistemi di alimentazione integrati in applicazioni impegnative come il trasporto elettrificato. Crediti: Yi Liu e He (Henry) Li/Berkeley Lab

Questa reazione di scambio zolfo-fluoruro (SuFEx) è una versione di prossima generazione della reazione chimica del clic introdotta da K. Barry Sharpless, chimico della Scripps Research e due volte premio Nobel per la chimica, insieme a Peng Wu, anch'egli chimico della Ricerca Scripps. Le reazioni quasi perfette ma facili da eseguire uniscono entità molecolari separate attraverso forti legami chimici che si formano tra diversi gruppi reattivi. Il team di Liu aveva originariamente utilizzato una varietà di strumenti di analisi termica per esaminare le proprietà termiche e meccaniche di base di questi nuovi materiali.