从电池、燃料电池到资源精炼和水净化,能源技术的关键是能够让某些分子快速通过而阻止其他分子的膜。例如,电池中分隔两个端子的膜有助于防止短路,同时也允许带电粒子或离子的运输,这是维持电流流动所必需的。


最具选择性的膜,对于哪些物质可以通过有非常明确的标准,对电池中工作离子的渗透性很低,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权衡,研究人员正在开发增加膜内离子的溶解度和迁移率的方法,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。

研究人员利用药物发现工具箱 为电池设计更好的选择性膜

锂电池新聚合物膜中的笼状锂离子插图。伯克利实验室分子铸造厂的科学家使用了一种药物发现工具箱来设计选择性膜。该技术可以使电池和能量存储设备中的流量更有效。


现在,根据《自然》杂志的报道,研究人员设计了一种聚合物膜,其孔内装有分子笼,可以容纳锂盐中的正电荷离子。这些笼子,称为“溶剂笼子”,由分子组成,它们一起充当围绕在每个锂离子周围的溶剂,就像我们熟悉的食盐溶解在液态水中的过程中,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(Berkeley Lab)的研究人员领导的研究小组发现,与标准膜相比,溶剂化笼使锂离子通过膜的流量增加了一个数量级。这种薄膜可以让高压电池以更高的功率和更高的效率运行,这对电动汽车和飞机来说都是重要因素。


而这是可以配置一个膜的毛孔在很小的范围里,它是不可能直到现在设计网站绑定特定的离子或分子从复杂的混合物和使他们的扩散膜的选择性和高速度,布雷特·赫尔姆斯说,联合中心的首席研究员储能研究(JCESR)和科学家在伯克利实验室的分子铸造主持工作。


这项研究得到了美国能源部能源创新中心JCESR的支持,该中心的使命是为电极、电解质和接口提供转型的新概念和材料,将为交通和电网提供多样化的高性能下一代电池。

研究人员利用药物发现工具箱 为电池设计更好的选择性膜

为了精确地设计出能溶解锂离子的膜笼,赫尔姆斯和他的团队观察了广泛应用的药物发现过程。在药物发现中,通常是建立和筛选具有不同结构的大的小分子库,以找出与感兴趣的生物分子结合的小分子。与此相反,该团队假设,通过构建和筛选具有不同孔隙结构的大型膜库,有可能识别出一个暂时容纳锂离子的笼子。从概念上讲,膜中的溶剂化笼类似于小分子药物靶向的生物结合位点。


赫尔姆斯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,以及在相互连接的孔隙网络中布置笼。赫尔姆斯说,在我们的工作之前,多孔膜的设计并没有采用以多样性为导向的方法。


赫尔姆斯研究小组的研究生研究员、加州大学伯克利分校化学系博士生、这篇论文的第一作者米兰达·巴兰利用这些策略,在分子铸造厂系统地准备了大量可能的膜。她和共同作者通过实验筛选了每一种材料,以确定一种主要的候选材料,其特定的形状和结构使其孔最适合选择性地捕获和运输锂离子。随后,Baran和Helms与环境分子科学实验室的Kee Sung Han和Karl Mueller(美国能源部在太平洋西北国家实验室的用户设施)合作,利用先进的核磁共振技术,揭示了锂离子如何在聚合物膜内流动,与电池中的其他离子相比。


我们的发现令人惊讶。溶剂化笼不仅增加了锂离子在膜中的浓度,而且锂离子在膜中的扩散速度比它们的反负离子快,Baran说,他指的是当锂盐进入膜时,与负电荷粒子相结合的锂离子。囚笼中锂离子的溶剂化有助于形成一层阻止这些阴离子流动的物质。


为了进一步了解这种新膜行为的分子原因,研究人员与博士后阿提姆·巴斯金(Artem Baskin)合作,大卫·普伦德加斯特(David Prendergast)是JCESR的另一名研究员。他们利用伯克利实验室国家能源研究科学计算中心(NERSC)的计算资源进行计算,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更集中。


最后,研究人员调查了膜在实际电池中的表现,并确定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难易程度。利用伯克利实验室先进光源的x射线工具,他们观察到锂离子流过一个电极被新膜隔开的改良电池。x射线图像显示,与使用标准膜的电池相比,锂在电极上平稳而均匀地沉积,这表明由于膜中的溶剂笼,电池的充放电快速而有效。


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有助于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,也得到了清洁能源技术气体分离中心的支持,该中心是美国能源部能源前沿研究中心,由加州大学伯克利分校领导。


伯克利实验室团队未来的工作将扩大膜库,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。赫尔姆斯说,我们也看到了令人兴奋的机会,将以多样性为导向的合成与数字工作流程结合起来,通过自主实验加速先进膜的发现。


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