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Italiano美科學家創造新型電容器 可儲存「創紀錄」能量
【希望之聲2023年8月28日】（希望之聲記者啟術綜合編譯） 美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室和斯克里普斯研究所的研究人員近日開發出了一種新型多硫酸鹽聚合物薄膜電容器，可有效存儲創紀錄的能量，同時承受極端溫度和電壓。該設備利用新一代獲得諾貝爾獎的「點擊化學」反應製成了這種特殊的柔性聚合物，用於高容量電容器和其他應用。
「點擊化學」（Click chemistry）是由化學家巴里•夏普萊斯在2001年引入的一個合成概念，主旨是通過小單元的拼接，來快速可靠地完成形形色色分子的化學合成。三位科學家因此而獲得了2022年的諾貝爾化學獎。
據介紹，社會對高壓電氣技術的需求不斷增長，包括脈衝電源系統、汽車、電動飛機和可再生能源應用，需要新一代電容器在極端熱和電條件下存儲和提供大量能量。聚合物薄膜電容器是使用薄塑料層作為絕緣層，在電場內存儲和釋放能量的電子元件。它們約佔全球高壓電容器市場的50%，並具有重量輕、成本低、機械靈活性和強大的循環性能等優勢。但隨著溫度和電壓的升高，目前最先進的聚合物薄膜電容器的性能會急劇下降。因此，開發具有更高耐熱性和電壓耐受性的新材料至關重要。
除了在高溫下保持穩定之外，電容器還需要是堅固的「介電」材料。這意味著它在承受高電壓時仍然是堅固的絕緣體。然而很少有已知的材料系統能夠同時提供熱穩定性和介電強度。這種稀缺是由於缺乏可靠和方便的合成方法，以及缺乏對聚合物結構和性能之間關係的基本了解。
提高聚合物薄膜的熱穩定性、同時保持其電絕緣強度是一個持續的材料挑戰。分子鑄造廠和斯克里普斯研究所的研究人員之間的長期合作現已解決了這個問題。他們使用2014年開發的一種簡單而快速的化學反應，交換含有硫氟化物鍵的化合物中的氟原子，生產出稱為多硫酸鹽的硫酸鹽分子長聚合物鏈。
這種硫氟化物交換（SuFEx）反應是「點擊化學」反應的下一代版本，由斯克里普斯研究中心的化學家、兩屆諾貝爾化學獎得主K. Barry Sharpless和斯克里普斯研究中心的化學家Peng Wu共同開創。
這種近乎完美但易於運行的反應通過不同反應基團之間形成的強化學鍵，將單獨的分子實體連接起來。作為伯克利實驗室合成和識別可用於儲能的新型材料計劃的一部分，他們令人驚訝地發現，多硫酸鹽具有在高電場和溫度下出色的介電性能。
受到多硫酸鹽優異的基準介電性能的啟發，研究人員在多硫酸鹽聚合物薄膜上沉積了極薄的氧化鋁（Al2O3）層，以設計具有增強儲能性能的電容器器件。他們發現，所製造的電容器表現出優異的機械靈活性，可承受每米超過7.5億伏的電場，並在高達150攝氏度的溫度下仍能高效工作。
相比之下，當今的基準商用聚合物電容器只能在低於120攝氏度的溫度下可靠運行。在高於這個溫度時，它們只能承受每米小於5億伏的電場，能源效率嚴重下降一半以上。
這種新型聚合物實現了電、熱和機械性能的平衡。由於模塊化化學可適應非凡的結構多樣性和可擴展性，因此相同的路線可以為生產具有更高性能的新型聚合物提供了可行的途徑，以滿足更苛刻的操作條件。
這種聚硫酸鹽將成為最先進聚合物電介質的有力競爭者。一旦科學家們克服了薄膜材料大規模製造工藝的障礙，這些設備就可以極大地提高電動汽車集成電力系統的能源效率，並提高其運行可靠性。
伯克利實驗室的化學家、報告這項工作的科學家Yi Liu說：「我們的工作開發了一種新型的高電性能穩定的聚合物。它為探索更堅固、高性能的材料開闢了許多可能性，為創造具有近乎完美化學性質的聚合物提供了一種新途徑。」
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