Un nuevo compuesto resistente al calor extremo y a la electricidad podría dar lugar a dispositivos de almacenamiento de energía de nueva generación
Polímeros flexibles fabricados con una nueva generación de la reacción "química click", ganadora del Nobel, para condensadores y otras aplicaciones
La creciente demanda social de tecnologías eléctricas de alto voltaje -incluidos sistemas de alimentación pulsada, automóviles y aviones electrificados, y aplicaciones de energías renovables- requiere una nueva generación de condensadores que almacenen y suministren grandes cantidades de energía en condiciones térmicas y eléctricas intensas. Investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía y del Scripps Research han desarrollado un nuevo dispositivo basado en polímeros que gestiona eficazmente cantidades récord de energía al tiempo que resiste temperaturas y campos eléctricos extremos. El dispositivo está compuesto por materiales sintetizados mediante una versión de nueva generación de la reacción química por la que tres científicos ganaron el Premio Nobel de Química de 2022.
Un nuevo tipo de compuesto de polisulfato puede utilizarse para fabricar condensadores de película polimérica que almacenan y descargan una alta densidad de energía eléctrica al tiempo que toleran el calor y los campos eléctricos más allá de los límites de los actuales condensadores de película polimérica.
Yi Liu and He (Henry) Li/Berkeley Lab
Los condensadores de película polimérica son componentes eléctricos que almacenan y liberan energía dentro de un campo eléctrico utilizando una fina capa de plástico como capa aislante. Representan el 50% del mercado mundial de condensadores de alta tensión y ofrecen ventajas como ligereza, bajo coste, flexibilidad mecánica y ciclabilidad robusta. Pero el rendimiento de los condensadores de película polimérica más modernos disminuye drásticamente con el aumento de la temperatura y los voltajes. El desarrollo de nuevos materiales más tolerantes al calor y a los campos eléctricos es primordial, y la creación de polímeros con una química casi perfecta ofrece una vía para lograrlo.
"Nuestro trabajo añade una nueva clase de polímeros eléctricamente robustos. Abre muchas posibilidades a la exploración de materiales más robustos y de alto rendimiento", afirmó Yi Liu, químico del Laboratorio Berkeley y autor principal del estudio Joule en el que se informa del trabajo. Liu es Director de la Instalación de Síntesis Orgánica y Macromolecular de la Fundición Molecular, una instalación de la Oficina de Ciencia del DOE en el Laboratorio de Berkeley.
Además de permanecer estable cuando se somete a altas temperaturas, un condensador debe ser un material "dieléctrico" fuerte, es decir, que siga siendo un aislante fuerte cuando se somete a altos voltajes. Sin embargo, existen pocos sistemas de materiales conocidos que ofrezcan tanto estabilidad térmica como rigidez dieléctrica. Esta escasez se debe a la falta de métodos de síntesis fiables y cómodos, así como a la falta de conocimientos fundamentales sobre la relación entre la estructura y las propiedades de los polímeros. "Mejorar la estabilidad térmica de las películas existentes sin perder su capacidad de aislamiento eléctrico es un reto constante en el campo de los materiales", afirma Liu.
Una larga colaboración entre investigadores de la Fundición Molecular y el Instituto de Investigación Scripps ha permitido superar ese reto. Utilizaron una reacción química sencilla y rápida desarrollada en 2014 que intercambia átomos de flúor en compuestos que contienen enlaces azufre-flúor, para producir largas cadenas poliméricas de moléculas de sulfato llamadas polisulfatos. Esta reacción de intercambio azufre-flúor (SuFEx) es una versión de nueva generación de la reacción de química de clic de la que fue pionero K. Barry Sharpless, químico del Scripps Research y dos veces premio Nobel de Química, junto con Peng Wu, también químico del Scripps Research. Las reacciones, casi perfectas pero fáciles de ejecutar, unen entidades moleculares separadas mediante fuertes enlaces químicos que se forman entre distintos grupos reactivos. El equipo de Liu había utilizado originalmente diversas herramientas de análisis térmico para examinar las propiedades térmicas y mecánicas básicas de estos nuevos materiales.
Como parte de un programa del Laboratorio de Berkeley para sintetizar e identificar nuevos materiales que podrían ser útiles en el almacenamiento de energía, Liu y sus colegas descubren ahora que, sorprendentemente, los polisulfatos tienen propiedades dieléctricas extraordinarias, especialmente a campos eléctricos y temperaturas elevados. "Varios polímeros comerciales y de laboratorio son conocidos por sus propiedades dieléctricas, pero los polisulfatos nunca se habían tenido en cuenta. La unión entre polisulfatos y dieléctricos es una de las novedades de este estudio", afirma He Li, investigador postdoctoral en la Fundición Molecular y en la División de Ciencias de los Materiales del Laboratorio de Berkeley, y autor principal del estudio.
Inspirándose en las excelentes propiedades dieléctricas de base que ofrecen los polisulfatos, los investigadores depositaron capas extremadamente finas de óxido de aluminio (Al2O3) sobre películas delgadas del material para diseñar dispositivos condensadores con mejores prestaciones de almacenamiento de energía. Descubrieron que los condensadores fabricados presentaban una excelente flexibilidad mecánica, soportaban campos eléctricos de más de 750 millones de voltios por metro y funcionaban eficazmente a temperaturas de hasta 150 grados Celsius. En comparación, los condensadores de polímero comerciales de referencia actuales sólo funcionan con fiabilidad a temperaturas inferiores a 120 grados Celsius. Por encima de esa temperatura, sólo pueden soportar campos eléctricos inferiores a 500 millones de voltios por metro, y la eficiencia energética se reduce drásticamente a más de la mitad.
El trabajo abre nuevas posibilidades de exploración de materiales robustos y de alto rendimiento para el almacenamiento de energía. "Hemos aportado una visión profunda de los mecanismos subyacentes que contribuyen al excelente rendimiento del material", afirma Wu.
El polímero logra un equilibrio de propiedades eléctricas, térmicas y mecánicas, probablemente debido a los enlaces de sulfato introducidos por la reacción química click. Dado que la química modular da cabida a una extraordinaria diversidad estructural y escalabilidad, la misma vía podría ofrecer un camino viable hacia nuevos polímeros de mayor rendimiento que satisfagan condiciones operativas aún más exigentes.
Los polisulfatos son firmes candidatos a convertirse en nuevos polímeros dieléctricos de última generación. Una vez que los investigadores superen las barreras en los procesos de fabricación a gran escala de materiales de película fina, los dispositivos podrían mejorar enormemente la eficiencia energética de los sistemas de alimentación integrados en los vehículos eléctricos y aumentar su fiabilidad operativa.
"¿Quién iba a imaginar que una película delgada de polímero de sulfato podría repeler los rayos y el fuego, dos de las fuerzas más destructivas del universo?", afirma Sharpless.
"Estamos ampliando continuamente los límites de las propiedades térmicas y eléctricas, y acelerando la transición del laboratorio al mercado", añadió Liu.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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