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【希望之声2023年8月28日】（希望之声记者启术综合编译） 美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室和斯克里普斯研究所的研究人员近日开发出了一种新型多硫酸盐聚合物薄膜电容器，可有效存储创纪录的能量，同时承受极端温度和电压。该设备利用新一代获得诺贝尔奖的“点击化学”反应制成了这种特殊的柔性聚合物，用于高容量电容器和其他应用。
“点击化学”（Click chemistry）是由化学家巴里•夏普莱斯在2001年引入的一个合成概念，主旨是通过小单元的拼接，来快速可靠地完成形形色色分子的化学合成。三位科学家因此而获得了2022年的诺贝尔化学奖。
据介绍，社会对高压电气技术的需求不断增长，包括脉冲电源系统、汽车、电动飞机和可再生能源应用，需要新一代电容器在极端热和电条件下存储和提供大量能量。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。它们约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性能等优势。但随着温度和电压的升高，目前最先进的聚合物薄膜电容器的性能会急剧下降。因此，开发具有更高耐热性和电压耐受性的新材料至关重要。
除了在高温下保持稳定之外，电容器还需要是坚固的“介电”材料。这意味着它在承受高电压时仍然是坚固的绝缘体。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。
提高聚合物薄膜的热稳定性、同时保持其电绝缘强度是一个持续的材料挑战。分子铸造厂和斯克里普斯研究所的研究人员之间的长期合作现已解决了这个问题。他们使用2014年开发的一种简单而快速的化学反应，交换含有硫氟化物键的化合物中的氟原子，生产出称为多硫酸盐的硫酸盐分子长聚合物链。
这种硫氟化物交换（SuFEx）反应是“点击化学”反应的下一代版本，由斯克里普斯研究中心的化学家、两届诺贝尔化学奖得主K. Barry Sharpless和斯克里普斯研究中心的化学家Peng Wu共同开创。
这种近乎完美但易于运行的反应通过不同反应基团之间形成的强化学键，将单独的分子实体连接起来。作为伯克利实验室合成和识别可用于储能的新型材料计划的一部分，他们令人惊讶地发现，多硫酸盐具有在高电场和温度下出色的介电性能。
受到多硫酸盐优异的基准介电性能的启发，研究人员在多硫酸盐聚合物薄膜上沉积了极薄的氧化铝（Al2O3）层，以设计具有增强储能性能的电容器器件。他们发现，所制造的电容器表现出优异的机械灵活性，可承受每米超过7.5亿伏的电场，并在高达150摄氏度的温度下仍能高效工作。
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。在高于这个温度时，它们只能承受每米小于5亿伏的电场，能源效率严重下降一半以上。
这种新型聚合物实现了电、热和机械性能的平衡。由于模块化化学可适应非凡的结构多样性和可扩展性，因此相同的路线可以为生产具有更高性能的新型聚合物提供了可行的途径，以满足更苛刻的操作条件。
这种聚硫酸盐将成为最先进聚合物电介质的有力竞争者。一旦科学家们克服了薄膜材料大规模制造工艺的障碍，这些设备就可以极大地提高电动汽车集成电力系统的能源效率，并提高其运行可靠性。
伯克利实验室的化学家、报告这项工作的科学家Yi Liu说：“我们的工作开发了一种新型的高电性能稳定的聚合物。它为探索更坚固、高性能的材料开辟了许多可能性，为创造具有近乎完美化学性质的聚合物提供了一种新途径。”
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