2021年4月8日
允许某些分子快速通过而阻止其他分子通过的膜是电池、燃料电池、资源精炼和水净化等能源技术的关键促成因素。例如，电池中分隔两端的薄膜有助于防止短路，同时也允许带电粒子或离子的传输，这些都是维持电流流动所必需的。欧洲杯猜球平台
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。
现在，正如《华尔街日报》今天报道的那样自然在美国，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的孔隙，但直到现在，还不可能设计位置来结合复杂混合物中的特定离子或分子，并使它们能够在膜中有选择性和高速扩散。”布雷特·赫尔姆斯说，他是联合储能研究中心（JCESR）的首席研究员，也是伯克利实验室分子铸造厂的职员科学家，领导了这项工作。
该研究得到了美国能源部能源创新中心JCESR的支持，JCESR的任务是为电极、电解液和接口提供变革性的新概念和材料，从而为交通和电网提供多种高性能下一代电池。赫尔姆斯说，特别是，JCESR提供了理解离子如何在储能装置中使用的多孔聚合物膜中溶剂化的动机。欧洲杯足球竞彩
为了精确地设计一个能溶解锂离子的膜笼，Helms和他的团队着眼于一个广泛实践的药物发现过程。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，以确定一个与感兴趣的生物分子结合的分子。与此相反，研究小组假设，通过构建和筛选具有不同孔隙结构的大型膜库，有可能确定一个暂时容纳锂离子的笼。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。
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。
利用这些策略，Helms研究小组的研究生、加州大学伯克利分校化学系的博士生、该论文的第一作者Miranda Baran在Molecular Foundry系统地准备了一个大型的可能的膜库。她和同事们通过实验筛选了每一种锂离子，以确定一种主要的候选者，其特定的形状和结构使其孔隙最适合于选择性捕获和运输锂离子。随后，Baran和Helms与环境分子科学实验室(美国能源部在太平洋西北国家实验室的用户设施)的Kee Sung Han和Karl Mueller合作，利用先进欧洲杯线上买球的核磁共振技术，揭示了锂离子在聚合物膜内流动的情况，并与电池中的其他离子进行了比较。
“我们的发现令人惊讶。溶剂化笼不仅增加了膜中锂离子的浓度，而且膜中锂离子的扩散速度比它们的反负离子快。”Baran说，指的是当锂盐进入膜时与之相关的带负电荷的粒子。笼中锂离子的溶剂化作用有助于形成一层阻欧洲杯猜球平台止这些阴离子的流动。
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是一名博士后研究员，与JCESR的另一名研究员David Prendergast合作。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，以确定锂离子与膜孔中笼状物结合时发生的溶剂化效应的精确性质。这种溶剂化效应导致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，研究人员调查了这种薄膜在实际电池中的性能，并确定了锂离子在电池充放电过程中在锂金属电极上被容纳或释放的难易程度。利用伯克利实验室高级光源的X射线工具，他们观察到锂流过一个经过修饰的电池，电池的电极被新的薄膜隔开。X射线图像显示，与使用标准膜的电池相比，锂在电极上的沉积平稳且均匀，表明由于膜中的溶剂化笼，电池能够快速高效地充放电。
通过他们以多样性为导向的方法来筛选可能的膜，研究人员实现了创造一种有助于在不牺牲选择性的情况下快速传输离子的材料的目标。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展膜库，并对其进行筛选，以增强清洁能源技术中感兴趣的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/