Membranen die bepaalde moleculen snel doorlaten en andere blokkeren, zijn belangrijke factoren voor energietechnologieën, van batterijen en brandstofcellen tot verfijning van hulpbronnen en waterzuivering. Bijvoorbeeld, membranen in een batterij die de twee terminals scheiden, helpen kortsluiting te voorkomen, terwijl ook het transport van geladen deeltjes mogelijk is, of ionen, nodig om de stroom van elektriciteit in stand te houden.

De meest selectieve membranen - die met zeer specifieke criteria voor wat er doorheen mag - lijden aan een lage permeabiliteit voor het werkende ion in de batterij, wat het vermogen en de energie-efficiëntie van de batterij beperkt. Om de afwegingen tussen membraanselectiviteit en permeabiliteit te overwinnen, onderzoekers ontwikkelen manieren om de oplosbaarheid en mobiliteit van ionen in het membraan te vergroten, waardoor een groter aantal van hen sneller door het membraan kan gaan. Dit zou de prestaties van batterijen en andere energietechnologieën kunnen verbeteren.

Nutsvoorzieningen, zoals vandaag gemeld in het journaal Natuur , onderzoekers hebben een polymeermembraan ontworpen met moleculaire kooien ingebouwd in de poriën die positief geladen ionen van een lithiumzout bevatten. Deze kooien, genaamd "solvation kooien, " bestaan ​​uit moleculen die samen fungeren als een oplosmiddel dat elk lithiumion omringt - net zoals watermoleculen elk positief geladen natriumion omringen in het bekende proces van oplossen van keukenzout in vloeibaar water. Het team, geleid door onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy, ontdekte dat solvatatiekooien de stroom van lithiumionen door het membraan met een orde van grootte verhoogden in vergelijking met standaardmembranen. Het membraan kan ervoor zorgen dat hoogspanningsbatterijcellen met een hoger vermogen en efficiënter kunnen werken, belangrijke factoren voor zowel elektrische voertuigen als vliegtuigen.

"Hoewel het mogelijk is geweest om de poriën van een membraan op zeer kleine lengteschalen te configureren, het was tot nu toe niet mogelijk om plaatsen te ontwerpen om specifieke ionen of moleculen uit complexe mengsels te binden en hun diffusie in het membraan zowel selectief als met een hoge snelheid mogelijk te maken, " zei Brett Helms, een hoofdonderzoeker in het Joint Centre for Energy Storage Research (JCESR) en stafwetenschapper in de Molecular Foundry van Berkeley Lab, die het werk leidde.

Het onderzoek wordt ondersteund door JCESR, een DOE Energy Innovation Hub wiens missie het is om transformationele nieuwe concepten en materialen voor elektroden te leveren, elektrolyten, en interfaces die een diversiteit aan hoogwaardige batterijen van de volgende generatie voor transport en het net mogelijk maken. Vooral, JCESR leverde de motivatie om te begrijpen hoe ionen worden opgelost in poreuze polymeermembranen die worden gebruikt in apparaten voor energieopslag, aldus Helmes.

Om een ​​ontwerp te vinden voor een kooi in een membraan dat lithiumionen zou oplossen, Helms en zijn team keken naar een veel toegepast proces voor het ontdekken van geneesmiddelen. Bij het ontdekken van medicijnen, het is gebruikelijk om grote bibliotheken van kleine moleculen met verschillende structuren te bouwen en te screenen om er een te vinden die bindt aan een biologisch molecuul van belang. Die benadering omkeren, het team veronderstelde dat door het bouwen en screenen van grote bibliotheken van membranen met diverse poriestructuren, het zou mogelijk zijn om een ​​kooi te identificeren om lithiumionen tijdelijk vast te houden. conceptueel, de solvatatiekooien in de membranen zijn analoog aan de biologische bindingsplaats die het doelwit is van geneesmiddelen met kleine moleculen.

Het team van Helms bedacht een eenvoudige maar effectieve strategie voor het introduceren van functionele en structurele diversiteit over meerdere lengteschalen in de polymeermembranen. Deze strategieën omvatten ontwerpen voor kooien met verschillende solvatatiesterkten voor lithiumionen, evenals opstellingen van kooien in een onderling verbonden netwerk van poriën. "Vóór ons werk, een op diversiteit gerichte benadering van het ontwerp van poreuze membranen was niet ondernomen, ’ zei Helmes.

Met behulp van deze strategieën, Miranda Baran, een afgestudeerde student-onderzoeker in de onderzoeksgroep van Helms en een Ph.D. student in de afdeling Scheikunde aan UC Berkeley en hoofdauteur van het papier, systematisch een grote bibliotheek van mogelijke membranen voorbereid in de Molecular Foundry. Zij en co-auteurs hebben ze allemaal experimenteel gescreend om een ​​leidende kandidaat te bepalen wiens specifieke vorm en architectuur de poriën het meest geschikt maakten voor het selectief opvangen en transporteren van lithiumionen. Vervolgens, werken met Kee Sung Han en Karl Mueller bij het Environmental Molecular Sciences Laboratory, een DOE-gebruikersfaciliteit in het Pacific Northwest National Laboratory, Baran en Helms onthulden, met behulp van geavanceerde nucleaire magnetische resonantietechnieken, hoe lithiumionen in het polymeermembraan stromen in vergelijking met andere ionen in de batterij.

"Wat we vonden was verrassend. Niet alleen verhogen de solvatatiekooien de concentratie van lithiumionen in het membraan, maar de lithiumionen in het membraan diffunderen sneller dan hun tegenanionen, " zei Baran, verwijzend naar de negatief geladen deeltjes die worden geassocieerd met het lithiumzout wanneer het het membraan binnengaat. De solvatatie van lithiumionen in de kooien hielp bij het vormen van een laag die de stroom van die anionen blokkeerde.

Om de moleculaire redenen voor het gedrag van het nieuwe membraan verder te begrijpen, werkten de onderzoekers samen met Artem Baskin, een postdoctoraal onderzoeker die samenwerkt met David Prendergast, een andere onderzoeker in JCESR. Ze voerden berekeningen uit, met behulp van computerbronnen bij Berkeley Lab's National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), om de precieze aard van het solvatatie-effect te bepalen dat optreedt wanneer lithiumionen zich associëren met de kooien in de poriën van het membraan. Dit solvatatie-effect zorgt ervoor dat lithiumionen zich meer concentreren in het nieuwe membraan dan in standaardmembranen zonder solvatatiekooien.

Eindelijk, de onderzoekers onderzochten hoe het membraan presteerde in een echte batterij, en bepaald het gemak waarmee lithiumionen worden opgenomen of afgegeven aan een lithiummetaalelektrode tijdens het laden en ontladen van de batterij. Met behulp van röntgenapparatuur bij Berkeley Lab's Advanced Light Source, ze observeerden lithiumstroom door een gemodificeerde batterijcel waarvan de elektroden werden gescheiden door het nieuwe membraan. De röntgenfoto's toonden aan dat, in tegenstelling tot batterijen die standaard membranen gebruikten, lithium werd soepel en uniform afgezet op de elektrode, wat aangeeft dat de batterij snel en efficiënt is opgeladen en ontladen dankzij de solvatatiekooien in het membraan.

Met hun diversiteitsgerichte benadering van het screenen van mogelijke membranen, de onderzoekers bereikten het doel om een ​​materiaal te creëren dat helpt om ionen snel te transporteren zonder in te boeten aan selectiviteit. Delen van het werk, inclusief componentenanalyse, gas sorptie, en röntgenverstrooiingsmetingen - werden ook ondersteund door het Center for Gas Separations Relevant to Clean Energy Technologies, een DOE Energy Frontier Research Center onder leiding van UC Berkeley.

Toekomstig werk van het Berkeley Lab-team zal de bibliotheek van membranen uitbreiden en screenen op verbeterde transporteigenschappen voor andere ionen en moleculen die van belang zijn in schone energietechnologieën. "We zien ook spannende mogelijkheden om op diversiteit gerichte synthese te combineren met digitale workflows voor versnelde ontdekking van geavanceerde membranen door middel van autonome experimenten, ’ zei Helmes.