用诺贝尔获奖的“点击化学”反应制成的新一代柔性聚合物在电容器和其他应用中发挥作用。

社会对高压电技术的需求不断增长，包括脉冲功率系统、汽车、电气化飞机和可再生能源应用，需要一种新一代电容器，在激烈的热电条件下存储和释放大量能量。

美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室（Berkeley Lab）和斯克里普斯研究机构的研究人员开发出一种新的基于聚合物的设备，能够高效处理大量能量，同时经受住极端温度和电场的考验。该设备由通过一种新一代化学反应合成的材料组成，这种化学反应使三位科学家荣获2022年诺贝尔化学奖。

聚合物薄膜电容器

聚合物薄膜电容器是一种使用薄塑料膜作为绝缘层在电场中存储和释放能量的电子元件。它们占全球高压电容器市场的约50％，具有重量轻、成本低、机械柔韧性好和循环稳定性强等优点。但是，目前最先进的聚合物薄膜电容器在高温和高电压下性能显著降低。开发出对热和电场有更好耐受性的新材料至关重要；而创造具有近乎完美化学性质的聚合物提供了一种方法。

“我们的工作为电气稳定性强的新型聚合物增添了一类材料。这为探索更稳定、性能更高的材料提供了许多可能性，”伯克利实验室的化学家、该研究的高级作者刘毅说。刘毅是伯克利实验室分子创库的有机和高分子合成设施主任，该实验室是美国能源部科学办公室的一个用户设施。

电容器的特点和挑战

除了在高温下保持稳定外，电容器还需要具备良好的“绝缘”性质，即在高电压下仍保持优秀的绝缘性能。然而，目前为止很少有已知的材料系统能够同时具备热稳定性和绝缘强度。这种稀缺性是由于缺乏可靠和便捷的合成方法，以及对聚合物结构和性质之间关系的基础理解不足。“提高现有薄膜的热稳定性，同时保持其电绝缘强度，是一个持续存在的材料挑战，”刘毅说。

伯克利实验室分子创库和斯克里普斯研究所的研究人员之间的长期合作现在已经克服了这一挑战。他们使用了一种简单快速的化学反应，该反应是在2014年开发的，通过交换含有硫氟键的化合物中的氟原子，得到了被称为聚硫酸盐的长链聚合物。

这种硫-氟交换（SuFEx）反应是由斯克里普斯研究所的化学家、两次诺贝尔化学奖得主K. Barry Sharpless和同样是斯克里普斯研究所化学家的彭武共同开创的click化学反应的下一代版本。这种几乎完美但易于执行的反应通过形成不同反应基团之间的强化学键，将分离的分子实体连接起来。刘的团队最初使用各种热分析工具来检查这些新材料的基本热学和力学性质。

作为伯克利实验室合成和鉴定可能在能源存储中有用的新材料的项目的一部分，刘及其同事们令人惊讶地发现，聚硫酸盐具有出色的介电性能，尤其是在高电场和高温下。“已知有几种商业和实验室合成的聚合物具有介电性能，但从未考虑过聚硫酸盐。聚硫酸盐与介电材料的结合是本研究的一个新颖之处。”伯克利实验室分子铺底和材料科学部门的博士后研究员和研究论文的第一作者李和表示。

基于聚硫酸盐所提供的优良基线介电性能，研究人员在该材料的薄膜上沉积了极薄的氧化铝（Al2O3）层，以改善超级电容器的储能性能。他们发现所制造的超级电容器具有出色的机械柔韧性，在750百万伏特每米的电场下能够工作，在150摄氏度的高温下表现出高效率。相比之下，当今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工作。在那个温度以上，它们只能承受小于5亿伏特每米的电场，并且能量效率严重下降了一半以上。

这项工作为探索用于能源存储的坚固高性能材料开辟了新的可能性。“我们已经深入洞察了有助于材料优异性能的潜在机制。”吴说。

由于click化学反应引入了硫酸盐键合，这种聚合物在电气、热学和机械性能之间取得了平衡，这很可能是其中的原因。由于模块化化学可以适应非凡的结构多样性和可扩展性，同样的途径可能为满足更为苛刻工作条件的高性能新聚合物提供可行的途径。

这些聚硫酸盐是成为新一代最先进聚合物介电材料的有力竞争者。一旦科学家们克服薄膜材料大规模制造过程中的障碍，这些装置将极大地提高电动汽车集成电力系统的能量效率，并提高其操作可靠性。