2021年4月8日
允许某些分子快速通过的膜，同时阻挡其他分子是从电池和燃料电池到资源细化和水净化的能源技术的关键推动力。例如，在电池中分离两个端子的膜有助于防止短路，同时还允许传送带电粒子或离子来维持电流。yabo214
最具选择性的膜——那些对什么可以通过有非常具体的标准的膜——在电池中工作的离子的低渗透性，这限制了电池的功率和能源效率。为了克服膜选择性和渗透性之间的平衡，研究人员正在开发增加离子在膜内的溶解度和流动性的方法，从而允许更多的离子更快地通过膜。这样做可以提高电池和其他能源技术的性能。
据今天的杂志报道自然在美国，研究人员设计了一种聚合物膜，其孔内建有分子笼，可以容纳锂盐中带正电的离子。这些“笼”被称为“溶剂化笼”，由围绕着每个锂离子的分子组成，就像食盐溶解在液态水中，水分子围绕着每个带正电的钠离子一样。由美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的研究人员领导的研究小组发现，与标准薄膜相比，溶剂化笼增加了锂离子通过薄膜的流量一个数量级。这种薄膜可以让高压电池以更高的功率和更高效地运行，这对电动汽车和飞机都是重要的因素。
“虽然可以在非常小的长度尺度上配置膜孔，但直到现在还不可能设计位点来结合复杂混合物中的特定离子或分子，并使它们在膜中选择性地、以高速率扩散，”布雷特·赫尔姆斯说。他是储能研究联合中心(JCESR)的首席研究员，也是伯克利实验室分子铸造部的工作人员，他领导了这项工作。
这项研究得到了美国能源部能源创新中心JCESR的支持，该中心的任务是为电极、电解质和接口提供革命性的新概念和材料，从而为运输和电网提供多样化的高性能下一代电池。亚博网站下载Helms说，特别是，JCESR提供了理解离子在储能设备中使用的多孔聚合物膜中是如何溶解的动机。
针对膜中的笼子的设计，将溶解锂离子，Helms和他的团队寻找广泛实践的药物发现过程。在药物发现中，常见的是构建和筛分大量的小分子文库，具有不同的结构，以确定与感兴趣的生物分子结合的一个。逆转该方法，团队假设通过建立和筛选具有多种孔隙结构的大型膜文库，可以识别笼子暂时保持锂离子。概念上，膜中的溶剂化笼类似于由小分子药物靶向的生物结合位点。
Helms的团队设计了一种简单但有效的策略，在聚合物膜的多个长度尺度上引入功能和结构多样性。这些策略包括设计具有不同溶剂化强度的锂离子笼，以及在相互连通的孔隙网络中布置笼。“在我们的工作之前，多孔膜的设计还没有采用多元化的方法，”赫尔姆斯说。
使用这些策略，赫尔姆斯研究小组和博士学位研究生Miranda Baran。在UC Berkeley和铅作家的化学系中的学生，在分子铸造厂系统地制作了一个大型可能的膜。她和共同作者通过实验筛选了每个人来确定其特定形状和架构的主要候选者最适合选择性地捕获和运输锂离子的孔隙。然后，在环境分子科学实验室使用Kee Sunng Han和Karl Mueller，在太平洋西北国家实验室，Baran和Helms的DoE用户设施，使用先进的核亚博老虎机网登录磁共振技术，锂离子在聚合物膜内的流动与其他电池中的离子。
“我们发现的是令人惊讶的。溶剂化笼不仅可以增加膜中锂离子的浓度，但膜中的锂离子比其抗衡阴离子更快地弥漫，”巴兰说，他指的是锂盐进入膜时与之相关的负电荷粒子。yabo214锂离子在笼中的溶解有助于形成一层阻挡这些阴离子流动的膜。
为了进一步了解新膜行为的分子原因，研究人员与Artem Baskin合作，Artem Baskin是JCESR的另一位研究员David Prendergast的博士后研究员。他们利用伯克利实验室的国家能源研究科学计算中心(NERSC)的计算资源进行了计算，以确定当锂离子与膜孔中的笼相结合时发生的溶剂化效应的精确性质。这种溶剂化效应使锂离子在新膜中比在没有溶剂化笼的标准膜中浓缩得更多。
最后，研究人员研究了这种薄膜在实际电池中的表现，并确定了在电池充放电过程中锂离子在锂金属电极上被容纳或释放的容易程度。利用伯克利实验室的先进光源的x射线工具，他们观察到锂流过一个被新膜分离的电极修饰过的电池。x射线图像显示，与使用标准膜的电池相比，锂在电极上平滑而均匀地沉积，这表明由于膜中的溶剂化笼，电池充放电迅速而有效。
通过以多样性为导向的方法筛选可能的膜，研究人员实现了创造一种帮助快速传输离子而不牺牲选择性的材料的目标。部分工作——包括成分分析、气体吸附和x射线散射测量——也得到了与清洁能源技术相关的气体分离中心的支持，该中心是由加州大学伯克利分校领导的能源部能源前沿研究中心。
伯克利实验室团队的未来工作将扩大膜库，并对其进行筛选，以增强清洁能源技术中其他离子和分子的传输特性。“我们也看到了令人兴奋的机会，通过自主实验，将面向多样性的合成与数字化工作流程相结合，加速先进膜的发现。”赫尔姆斯说。
来源：http://www.lbl.gov/