Un nouveau composé qui résiste à la chaleur extrême et à l'électricité pourrait conduire à la prochaine génération de dispositifs de stockage d'énergie
Des polymères souples fabriqués à l'aide d'une nouvelle génération de la réaction "chimie du clic" récompensée par le prix Nobel trouvent leur place dans les condensateurs et d'autres applications
La demande croissante de la société en matière de technologies électriques à haute tension - notamment les systèmes d'alimentation pulsée, les voitures et les avions électrifiés, ainsi que les applications d'énergie renouvelable - nécessite une nouvelle génération de condensateurs capables de stocker et de délivrer de grandes quantités d'énergie dans des conditions thermiques et électriques intenses. Des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du ministère de l'énergie et de Scripps Research ont mis au point un nouveau dispositif à base de polymère qui gère efficacement des quantités record d'énergie tout en résistant à des températures et des champs électriques extrêmes. Le dispositif est composé de matériaux synthétisés via une version de nouvelle génération de la réaction chimique pour laquelle trois scientifiques ont remporté le prix Nobel de chimie en 2022.
Un nouveau type de composé polysulfate peut être utilisé pour fabriquer des condensateurs à film polymère qui stockent et déchargent une haute densité d'énergie électrique tout en tolérant la chaleur et les champs électriques au-delà des limites des condensateurs à film polymère existants.
Yi Liu and He (Henry) Li/Berkeley Lab
Les condensateurs à film polymère sont des composants électriques qui stockent et libèrent de l'énergie dans un champ électrique en utilisant une fine couche de plastique comme couche isolante. Ils représentent 50 % du marché mondial des condensateurs haute tension et offrent des avantages tels que la légèreté, le faible coût, la flexibilité mécanique et la robustesse des cycles. Mais les performances des condensateurs à film polymère les plus modernes diminuent considérablement avec l'augmentation de la température et des tensions. Il est primordial de développer de nouveaux matériaux présentant une meilleure tolérance à la chaleur et aux champs électriques, et la création de polymères à la chimie quasi parfaite offre un moyen d'y parvenir.
"Notre travail ajoute une nouvelle classe de polymères électriquement robustes à la table. Elle ouvre de nombreuses possibilités pour l'exploration de matériaux plus robustes et plus performants", a déclaré Yi Liu, chimiste au Berkeley Lab et auteur principal de l'étude Joule qui rapporte les travaux. M. Liu est le directeur de la synthèse organique et macromoléculaire à la fonderie moléculaire, une installation du DOE Office of Science située au Berkeley Lab.
En plus de rester stable lorsqu'il est soumis à des températures élevées, un condensateur doit être un matériau "diélectrique" solide, ce qui signifie qu'il reste un isolant puissant lorsqu'il est soumis à des tensions élevées. Cependant, il existe peu de systèmes de matériaux connus qui offrent à la fois une stabilité thermique et une résistance diélectrique. Cette rareté est due à l'absence de méthodes de synthèse fiables et pratiques, ainsi qu'à un manque de compréhension fondamentale de la relation entre la structure et les propriétés des polymères. "Améliorer la stabilité thermique des films existants tout en conservant leur pouvoir d'isolation électrique est un défi permanent pour les matériaux", a déclaré M. Liu.
Une collaboration à long terme entre des chercheurs de la Fonderie moléculaire et du Scripps Research Institute a permis de relever ce défi. Ils ont utilisé une réaction chimique simple et rapide, mise au point en 2014, qui échange les atomes de fluor dans les composés qui contiennent des liaisons sulfure-fluorure, pour donner de longues chaînes polymères de molécules de sulfate appelées polysulfates. Cette réaction d'échange de fluorure de soufre (SuFEx) est une version de nouvelle génération de la réaction de chimie click dont K. Barry Sharpless, chimiste au Scripps Research et deux fois lauréat du prix Nobel de chimie, et Peng Wu, également chimiste au Scripps Research, ont été les pionniers. Ces réactions presque parfaites, mais faciles à mettre en œuvre, unissent des entités moléculaires distinctes grâce à des liaisons chimiques fortes qui se forment entre différents groupes réactifs. L'équipe de Liu avait initialement utilisé divers outils d'analyse thermique pour examiner les propriétés thermiques et mécaniques de base de ces nouveaux matériaux.
Dans le cadre d'un programme du Berkeley Lab visant à synthétiser et à identifier de nouveaux matériaux qui pourraient être utiles pour le stockage de l'énergie, Liu et ses collègues découvrent maintenant que, de manière surprenante, les polysulfates ont des propriétés diélectriques exceptionnelles, en particulier à des champs électriques et des températures élevés. "Plusieurs polymères commerciaux et produits en laboratoire sont connus pour leurs propriétés diélectriques, mais les polysulfates n'avaient jamais été envisagés. Le mariage entre les polysulfates et les diélectriques est l'une des nouveautés ici", a déclaré He Li, chercheur postdoctoral à la Fonderie moléculaire et à la Division des sciences des matériaux du Berkeley Lab, et auteur principal de l'étude.
Inspirés par les excellentes propriétés diélectriques de base offertes par les polysulfates, les chercheurs ont déposé des couches extrêmement fines d'oxyde d'aluminium (Al2O3) sur des films minces du matériau afin de concevoir des condensateurs aux performances de stockage d'énergie améliorées. Ils ont découvert que les condensateurs fabriqués présentaient une excellente flexibilité mécanique, résistaient à des champs électriques de plus de 750 millions de volts par mètre et fonctionnaient efficacement à des températures allant jusqu'à 150 degrés Celsius. En comparaison, les condensateurs polymères commerciaux de référence actuels ne fonctionnent de manière fiable qu'à des températures inférieures à 120 degrés Celsius. Au-delà de cette température, ils ne peuvent résister qu'à des champs électriques inférieurs à 500 millions de volts par mètre, et leur rendement énergétique chute de plus de la moitié.
Ces travaux ouvrent de nouvelles possibilités d'exploration de matériaux robustes et performants pour le stockage de l'énergie. "Nous avons fourni des informations approfondies sur les mécanismes sous-jacents qui contribuent à l'excellente performance du matériau", a déclaré Wu.
Le polymère présente un équilibre entre les propriétés électriques, thermiques et mécaniques, probablement grâce aux liaisons sulfate introduites par la réaction de chimie click. Étant donné que la chimie modulaire permet une diversité structurelle et une évolutivité extraordinaires, la même voie pourrait offrir un chemin viable vers de nouveaux polymères plus performants qui répondent à des conditions opérationnelles encore plus exigeantes.
Les polysulfates sont de sérieux candidats pour devenir de nouveaux diélectriques polymères de pointe. Une fois que les chercheurs auront surmonté les obstacles liés aux procédés de fabrication à grande échelle des matériaux en couches minces, les dispositifs pourraient améliorer considérablement l'efficacité énergétique des systèmes d'alimentation intégrés des véhicules électriques et renforcer leur fiabilité opérationnelle.
"Qui aurait pu imaginer qu'un mince film de polymère sulfaté pourrait repousser la foudre et le feu, deux des forces les plus destructrices de l'univers ?", a déclaré M. Sharpless.
"Nous repoussons sans cesse les limites des propriétés thermiques et électriques, et nous accélérons la transition du laboratoire au marché", a ajouté M. Liu.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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