社會對高壓電技術（包括脈衝電源系統、汽車、電氣化飛機和可再生能源應用）的需求日益增長，這就需要新一代電容器能在強熱和強電條件下存儲和提供大量能量，美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室（伯克利實驗室）和斯克里普斯研究所的研究人員已經開發出一種新型聚合物設備，它能在承受極端溫度和電場的同時有效處理創紀錄的能量。

該裝置由通過新一代化學反應合成的材料組成，三位科學家因此獲得了2022 年諾貝爾化學獎。

聚合物薄膜電容器是一種電氣元件，利用薄塑料層作為絕緣層，在電場中存儲和釋放能量。聚合物薄膜電容器約佔全球高壓電容器市場的50%，具有重量輕、成本低、機械靈活性強、可循環使用等優點。但是，最先進的聚合物薄膜電容器的性能會隨著溫度和電壓的升高而急劇下降。開發耐熱性和耐電場性更強的新材料至關重要；而創造化學性近乎完美聚合物則提供了實現這一目標的途徑。

“我們的研究為電穩健聚合物增添了一個新類別。它為探索更堅固、更高性能的材料開闢了許多可能性，”伯克利實驗室化學家、報告這項工作的焦耳研究的資深作者Yi Liu 說。Liu是伯克利實驗室能源部科學辦公室用戶設施分子鑄造廠的有機和大分子合成設施主任。

除了在高溫下保持穩定之外，電容器還需要是一種強”介電”材料，這意味著它在承受高電壓時仍是一種強絕緣體。然而，目前已知的材料系統很少能同時提供熱穩定性和介電強度。造成這種稀缺性的原因是缺乏可靠、方便的合成方法，以及對聚合物結構與性能之間關係缺乏基本了解。劉說：”提高現有薄膜的熱穩定性，同時保持其電絕緣強度，是一項持續的材料挑戰。”

分子鑄造廠的研究人員與斯克里普斯研究所的研究人員長期合作，現已解決了這一難題。他們利用2014 年開發的一種簡單快速的化學反應，將含氟硫鍵化合物中的氟原子置換出來，生成了名為聚硫酸鹽的硫酸鹽分子長聚合物鏈。

多硫酸鹽具有優異的熱性能，可澆鑄成柔韌的獨立薄膜。以這種薄膜為基礎的高溫高壓電容器在150 攝氏度的高溫下顯示出最先進的儲能特性。這種電力電容器有望提高電氣化交通等高要求應用中集成電力系統的能效和可靠性。資料來源：Yi Liu 和He (Henry) Li/伯克利實驗室

這種氟化硫交換（SuFEx）反應是由斯克里普斯研究所化學家、兩屆諾貝爾化學獎得主巴里-夏普萊斯（K. Barry Sharpless）與同為斯克里普斯研究所化學家的吳鵬（Peng Wu）共同開創的點擊化學反應的下一代版本。這種近乎完美而又易於操作的反應通過不同反應基團之間形成的強化學鍵將獨立的分子實體連接起來。Liu的團隊最初使用各種熱分析工具來研究這些新材料的基本熱性能和機械性能。

作為伯克利實驗室合成和鑑定可用於儲能的新型材料計劃的一部分，Liu和他的同事們現在發現，令人驚訝的是，聚硫酸鹽具有出色的介電性能，尤其是在高電場和高溫度下。”有幾種商用和實驗室生成的聚合物因其介電性能而聞名，但聚硫酸鹽從未被考慮過。

分子鑄造廠和伯克利實驗室材料科學部的博士後研究員、本研究的第一作者He Li 說：”多硫酸鹽與介電質的結合是本研究的新穎之處之一。Liu

受到多硫酸鹽優異的基線介電性能的啟發，研究人員在這種材料的薄膜上沉積了極薄的氧化鋁（Al2O3）層，從而設計出了具有更強儲能性能的電容器設備。他們發現，製造出的電容器具有出色的機械柔韌性，能承受每米超過7.5 億伏特的電場，並能在高達150 攝氏度的溫度下高效工作。相比之下，目前的基準商用聚合物電容器只能在低於120 攝氏度的溫度下穩定工作。超過這個溫度，它們只能承受每米小於5 億伏特的電場，能效嚴重下降一半以上。

這項工作為探索堅固耐用的高性能儲能材料提供了新的可能性。吳說：”我們深入了解了這種材料具有卓越性能的內在機理。”

這種聚合物兼顧了電學、熱學和機械性能，這很可能得益於點擊化學反應中引入的硫酸鹽連接。由於模塊化化學反應具有非凡的結構多樣性和可擴展性，因此同樣的途徑可以提供一條通往性能更高的新型聚合物的可行之路，從而滿足更苛刻的操作條件。

這些聚硫酸鹽是成為最先進的新型聚合物電介質的有力競爭者。一旦科學家們克服了薄膜材料大規模製造工藝的障礙，這些設備就能極大地提高電動汽車集成動力系統的能效，並增強其運行可靠性。

夏普勒斯說：”誰能想到，一層微弱的硫酸鹽聚合物薄膜能抵禦閃電和火焰這兩種宇宙中最具破壞力的力量呢？”

“我們正在不斷突破熱性能和電性能的極限，加速從實驗室到市場的轉變，”Liu 補充道。