В гонке за создание более лёгкой, безопасной и эффективной электроники — от электромобилей до трансконтинентальных энергетических сетей — один компонент буквально обладает энергией: полимерный конденсатор. Полимерные конденсаторы, используемые, например, в медицинских дефибрилляторах, отвечают за быстрые импульсы энергии и стабилизацию мощности, а не за хранение больших объёмов энергии, в отличие от более медленной и стабильной работы батареи.

Однако современные полимерные конденсаторы не выдерживают температуру выше 212 градусов по Фаренгейту (F), которую может достигать температура воздуха вокруг типичного автомобильного двигателя в летние месяцы, а также которую может превысить перегруженный центр обработки данных в любой день.

В журнале Nature группа исследователей из Университета штата Пенсильвания сообщила о новом материале, изготовленном из дешевых, доступных в продаже пластмасс, который способен выдерживать в четыре раза большую энергию, чем обычный конденсатор, при температурах до 482 °F (260 °C).

Почему полимерные конденсаторы важны

«Прогресс в разработке комплексных систем для электромобилей , центров обработки данных, освоения космоса и многого другого может быть затруднен полимерными конденсаторами», — сказал соавтор статьи Ли Ли, научный сотрудник кафедры электротехники Университета штата Пенсильвания.

«Обычные полимерные конденсаторы требуют охлаждения для работы. Наш подход решает эту проблему, обеспечивая при этом в четыре раза большую мощность — или ту же самую мощность в устройстве, которое в четыре раза меньше по размеру».

Конденсаторы накапливают меньше энергии, чем батареи, но заряжаются и разряжаются гораздо быстрее. Например, в мобильном телефоне батарея заряжается от источника питания.

Энергия, которую он накапливает, поступает в результате множества внутренних химико-электрических реакций, происходящих в течение определенного времени и обеспечивающих работу телефона. Дополнительные функции, такие как вспышка камеры телефона, требуют выброса дополнительной энергии. Конденсатор отвечает за разрядку этого дополнительного заряда энергии.

Большинство полимерных конденсаторов выходят из строя при высоких температурах, потому что они изготовлены из полимеров с длинными цепочками молекул, имеющих низкие температуры стеклования, то есть молекулы из эластичных и податливых становятся хрупкими и ломкими, как стекло, при относительно низких температурах.

Полимеры встречаются в природных материалах, но также производятся синтетически для создания тонких, гибких пленок, толстых, жестких пластиков и всего, что находится между ними. При смешивании полимеров и других материалов их наноструктуры — на атомном уровне — образуют границы раздела в различной степени. По словам исследователей, они могут пропускать электрические заряды, и проблема усугубляется при высоких температурах.

Новый подход к созданию полимерных сплавов

«Обычно невозможно одновременно обладать высокой плотностью энергии и высокой термостойкостью в одном диэлектрическом полимере — мы добились и того, и другого, смешав два коммерчески доступных высокотемпературных полимера», — сказал соавтор Гуаньчунь Руи, научный сотрудник кафедры электротехники и Института материаловедения (MRI) Университета штата Пенсильвания.

Исследователи объединили полиэтиленимин (PEI), первоначально производимый компанией General Electric и часто используемый в фармацевтическом производстве, и полибутилфосфатдифенилаланина (PBPDA), полимер с высокой термостойкостью и электроизоляционными свойствами.

При смешивании при подходящих температурах молекулярные компоненты полимеров самоорганизовывались в трехмерные структуры, которые исследователи использовали для создания тонких пленок. Ключевым моментом, по словам Руи, было определение правильного уровня несмешиваемости полимеров, или их неспособности смешиваться. Подобно маслу и воде, несмешивающиеся материалы разделяются и организуются в трехмерные структуры на основе своих индивидуальных свойств.

«Можно смешивать разные пропорции, чтобы увидеть, как меняются характеристики, подобно тому, как работают металлические сплавы», — сказал Руи. «Благодаря правильному контролю несмешиваемости нам удалось получить — насколько нам известно — первый полимерный сплав с такими весьма желательными свойствами».

Неожиданное повышение производительности и стабильность

Как отмечает ведущий автор исследования Цимин Чжан, заведующий кафедрой имени Харви Ф. Браша и профессор электротехники, редко бывает так, чтобы свойства продукта были настолько лучше, чем свойства его отдельных компонентов.

«Если соединить два похожих материала, можно ожидать, что получится материал с аналогичным уровнем производительности, как у двух компонентов», — сказал Ли, отметив, что небольшие изменения иногда могут привести к постепенному улучшению характеристик, как это было достигнуто другими исследователями в этой области в гораздо меньших масштабах.

Он объяснил, что показатель, определяющий количество энергии, которое полимер может хранить и использовать — так называемая диэлектрическая постоянная, или K — для каждого отдельного полимера, использованного исследователями, составлял менее четырех. «В совокупности полимерный сплав имел K, равную 13,5, и она оставалась постоянной в диапазоне температур от -148 °F до 482 °F. Это замечательно».

Как наноструктура раскрывает потенциал

Как выяснили исследователи, этот прорыв обусловлен наноструктурой полимеров, что было подтверждено микроскопическим исследованием материала и компьютерным моделированием. Без жестких, хрупких ограничений, присущих керамическим или металлическим материалам, молекулы полимера могут адаптироваться, чтобы накапливать энергию, не разрушаясь. Их самоорганизующиеся интерфейсы действуют как барьеры, блокирующие утечки подвижного заряда и повышающие способность конденсатора переносить и разряжать энергию.

«Диэлектрики дешевы и доступны в продаже, а процесс производства в больших количествах прост», — сказал Ли.

«Это экономически эффективное решение энергетического кризиса, которое может значительно помочь в самых разных областях применения. Мы можем увеличить мощность устройства в четыре раза или уменьшить его размер в четыре раза, сохранив при этом первоначальный уровень энергопотребления. Мы можем легко и быстро внедрить множество функций в очень компактное устройство».

Далее исследователи работают над выводом на рынок полимерных конденсаторов, на которые они подали заявку на патент.