Scripps Research

Polysulfate ermöglichen Folienkondensatoren mit +150 °C

23. Januar 2023, 11:34 Uhr | Ralf Higgelke
Scripps Research, polysulfates, film capacitors
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Herkömmliche Folienkondensatoren sind sehr temperaturempfindlich, weswegen sie oft das begrenzende Bauteil bei Antriebsumrichtern in Elektroautos sind. Mithilfe der Click-Chemie haben US-Forscher Polysulfate hergestellt, die bis über +150 °C stabil sind. Und das soll nicht das Ende sein.

Eine neue Art von Polysulfat-Verbindung, die dünne, biegsame Folien bilden kann, besitzt Eigenschaften, die sie zu einem guten Material für viele leistungsstarke elektrische Komponenten machen könnten. Die Laboratorien von Dr. Peng Wu, Professor in der Abteilung für Molekulare Medizin bei Scripps Research, und Dr. K. Barry Sharpless, W.M. Keck Professor für Chemie bei Scripps Research, haben kürzlich viele bislang nicht verfügbare Polysulfate mit Hilfe der Schwefel-Fluorid-Austauschreaktion (SuFEx) synthetisiert.

SuFEx gehört zu einer wachsenden Zahl von Methoden, mit denen Moleküle auf Basis der sogenannten Click-Chemie hergestellt werden und sich durch hohe Effizienz und einfache Reaktionsanforderungen auszeichnen. Sharpless wurde dafür mit dem Nobelpreis für Chemie 2022 ausgezeichnet.

Bei Untersuchungen im Labor von Dr. Yi Liu, Institutsleiter für organische und makromolekulare Synthese an der Molecular Foundry des Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), entdeckten die Forscher, dass einige der neuen Polysulfate hervorragende dielektrische Eigenschaften haben und sich damit als Dielektrika für Folienkondensatoren eigneten.

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Scripps Research, polysulfates, film capacitors
Folienkondensatoren aus Polysulfaten haben bei +150 °C erstklassige Energiespeichereigenschaften. Solche Bauelemente könnten die Energieeffizienz und Zuverlässigkeit von Stromversorgungssystemen in anspruchsvollen Anwendungen wie der Elektromobilität verbessern, indem sie zur Gewichts- und Größenreduzierung beitragen.
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Bis zu 250 °C könnten möglich sein

Viele der heute verwendeten Dielektrika sind Polymere. Zwar sind Polysulfate ebenfalls Polymere, haben aber im Vergleich zu handelsüblichen Polymeren deutlich verbesserte Eigenschaften. Das Team fand heraus, dass Kondensatoren aus einem der neuen Polysulfate, wenn sie mit einem dünnen Film aus Aluminiumoxid verbessert werden, eine hohe Energiedichte besitzen und dabei elektrischen Feldern von über 700 MV/m und Temperaturen von +150 °C standhalten. Die am weitesten verbreiteten Polymer-Folienkondensatoren würden bei solchen Bedingungen zerstört.

»Wir glauben, dass wir verwandte Polysulfate finden können, die 200 bis 250 °C aushalten, und zwar mit geringem oder gar keinem Performanceverlust«, meinte Yi Liu. Die Forscher arbeiten weiter an der Synthese, um Polysulfate mit noch besseren Eigenschaften zu finden.

Wie die Forscher feststellten, sind in Systemen, in denen herkömmliche Folienkondensatoren verwendet werden, aufgrund ihrer Wärmeempfindlichkeit oft teure und aufwändige Kühlmaßnahmen erforderlich – beispielsweise in Elektroautos. Der Einsatz der neuen Polysulfat-Dielektrika könnte daher zu billigeren, einfacheren und haltbareren Stromversorgungssystemen in Elektroautos und vielen anderen Anwendungen führen, so die Forscher.

Originalpublikation

H. Li, et al.: High-performing polysulfate dielectrics for electrostatic energy storage under harsh conditions, Joule, Volume 7, Issue 1, 2023, Pages 95-111, ISSN 2542-4351, https://doi.org/10.1016/j.joule.2022.12.010.


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