Membran som låter vissa molekyler snabbt passera genom att blockera andra är viktiga möjliggörare för energiteknik från batterier och bränsleceller till resursförädling och vattenrening. Till exempel, membran i ett batteri som separerar de två terminalerna hjälper till att förhindra kortslutning, samtidigt som det tillåter transport av laddade partiklar, eller joner, som behövs för att upprätthålla elflödet.

De mest selektiva membranen - de med mycket specifika kriterier för vad som kan passera - lider av låg permeabilitet för arbetsjonen i batteriet, vilket begränsar batteriets effekt och energieffektivitet. För att övervinna avvägningar mellan membranselektivitet och permeabilitet, forskare utvecklar sätt att öka lösligheten och rörligheten för joner i membranet, tillåter därför ett högre antal av dem att passera genom membranet snabbare. Om du gör det kan du förbättra batteriernas prestanda och annan energiteknik.

Nu, som rapporterades idag i tidningen Natur , forskare har utformat ett polymermembran med molekylära burar inbyggda i dess porer som håller positivt laddade joner från ett litiumsalt. Dessa burar, kallas "frälsningsburar, "består av molekyler som tillsammans fungerar som ett lösningsmedel som omger varje litiumjon - ungefär som hur vattenmolekyler omger varje positivt laddad natriumjon i den välbekanta processen med bordsalt som löses upp i flytande vatten. Teamet, ledd av forskare vid U.S. Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), fann att lösningsburar ökade flödet av litiumjoner genom membranet med en storleksordning jämfört med standardmembran. Membranet kan tillåta högspänningsbatterier att arbeta med högre effekt och mer effektivt, viktiga faktorer för både elfordon och flygplan.

"Även om det har varit möjligt att konfigurera ett membrans porer i mycket små längder, det har inte varit möjligt förrän nu att utforma platser för att binda specifika joner eller molekyler från komplexa blandningar och möjliggöra deras diffusion i membranet både selektivt och med hög hastighet, "sa Brett Helms, en huvudutredare i Joint Center for Energy Storage Research (JCESR) och personalvetare i Berkeley Labs Molecular Foundry, som ledde arbetet.

Forskningen stöds av JCESR, en DOE Energy Innovation Hub vars uppdrag är att leverera transformerande nya koncept och material för elektroder, elektrolyter, och gränssnitt som möjliggör en mångfald av högpresterande nästa generations batterier för transport och nätet. Särskilt, JCESR gav motivationen att förstå hur joner löses i porösa polymermembran som används i energilagringsenheter, Sa Helms.

För att hitta en design för en bur i ett membran som skulle lösa litiumjoner, Helms och hans team tittade på en mycket praktiserad process för upptäckt av läkemedel. Vid upptäckt av droger, det är vanligt att bygga och screena stora bibliotek med små molekyler med olika strukturer för att hitta ett som binder till en biologisk molekyl av intresse. Omvänd den metoden, laget antog att genom att bygga och screena stora bibliotek av membran med olika porstrukturer, det skulle vara möjligt att identifiera en bur för att tillfälligt hålla litiumjoner. Konceptuellt, lösningsburarna i membranen är analoga med det biologiska bindningsstället som målas av små molekylläkemedel.

Helms team utarbetade en enkel men effektiv strategi för att införa funktionell och strukturell mångfald över skalor med flera längder i polymermembranen. Dessa strategier inkluderade konstruktioner för burar med olika solvationsstyrkor för litiumjoner, liksom arrangemang av burar i ett sammankopplat nätverk av porer. "Innan vårt arbete, en mångfaldsinriktad strategi för utformning av porösa membran hade inte genomförts, sa Helms.

Med hjälp av dessa strategier, Miranda Baran, doktorandforskare i Helms forskargrupp och doktorsexamen student vid Institutionen för kemi vid UC Berkeley och huvudförfattare på pappret, systematiskt utarbetat ett stort bibliotek med möjliga membran vid Molecular Foundry. Hon och medförfattare testade experimentellt var och en för att bestämma en ledande kandidat vars specifika form och arkitektur gjorde sina porer bäst lämpade för att selektivt fånga och transportera litiumjoner. Sedan, arbetar med Kee Sung Han och Karl Mueller vid Environmental Molecular Sciences Laboratory, en DOE -användaranläggning vid Pacific Northwest National Laboratory, Baran och Helms avslöjade, med hjälp av avancerade nukleära magnetiska resonanstekniker, hur litiumjoner flödar i polymermembranet jämfört med andra joner i batteriet.

"Det vi fann var förvånande. Inte bara ökar lösningsburarna koncentrationen av litiumjoner i membranet, men litiumjonerna i membranet diffunderar snabbare än deras motjoner, "sa Baran, med hänvisning till de negativt laddade partiklarna som är associerade med litiumsaltet när det kommer in i membranet. Lösning av litiumjoner i burarna hjälpte till att bilda ett lager som blockerade flödet av dessa anjoner.

För att ytterligare förstå de molekylära orsakerna till det nya membranets beteende, forskarna samarbetade med Artem Baskin, en postdoktoral forskare som arbetar med David Prendergast, en annan utredare i JCESR. De gjorde beräkningar, använder datorresurser vid Berkeley Labs National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), för att bestämma den exakta beskaffenheten av lösningseffekten som uppstår när litiumjoner associerar med burarna i membranets porer. Denna solvationseffekt får litiumjoner att koncentrera sig mer i det nya membranet än vad de gör i standardmembran utan lösningsburar.

Till sist, forskarna undersökte hur membranet fungerade i ett verkligt batteri, och bestämde hur lätt litiumjoner ryms eller frigörs vid en litiummetallelektrod under batteriets laddning och urladdning. Med hjälp av röntgenverktyg vid Berkeley Labs avancerade ljuskälla, de observerade litiumflöde genom en modifierad battericell vars elektroder separerades av det nya membranet. Röntgenbilderna visade att i motsats till batterier som använde standardmembran, litium avsattes smidigt och enhetligt vid elektroden, vilket indikerar att batteriet laddas och laddas ur snabbt och effektivt tack vare solvationsburarna i membranet.

Med sin mångfaldsinriktade strategi för screening av möjliga membran, forskarna uppnådde målet att skapa ett material som hjälper till att transportera joner snabbt utan att offra selektiviteten. Delar av arbetet - inklusive komponentanalys, gassorption, och röntgenspridningsmätningar-stöddes också av Center for Gas Separations Relevant to Clean Energy Technologies, ett DOE Energy Frontier Research Center under ledning av UC Berkeley.

Framtida arbete av Berkeley Lab -teamet kommer att utöka membranbiblioteket och screena det för förbättrade transportegenskaper för andra joner och molekyler av intresse för ren energiteknik. "Vi ser också spännande möjligheter att kombinera mångfaldsorienterad syntes med digitala arbetsflöden för snabbare upptäckt av avancerade membran genom autonomt experiment, sa Helms.