蓋世汽車訊 就電池和燃料電池能量技術(shù)而言，允許某些分子快速通過并阻止其他分子通過的膜對(duì)于提煉和水凈化非常重要。例如，將電池兩端分開的膜可防止短路，同時(shí)也可以傳輸帶電粒子或離子，保持電流流動(dòng)。

對(duì)穿透物具有特別標(biāo)準(zhǔn)的選擇性膜（selective membranes）會(huì)對(duì)電池中的工作離子的滲透率很低，從而降低電池功率和能效。為避免在選擇性和滲透性之間取舍，研究人員正在開發(fā)能夠增加膜內(nèi)離子的溶解度和遷移率的方法，從而使更多離子更快速地通過膜，進(jìn)而提高電池性能并改善其他能源技術(shù)。

最近，研究人員設(shè)計(jì)出一種聚合物膜，并在其孔隙中內(nèi)置鋰鹽中帶正電離子的分子籠。這些分子籠被稱為“溶劑籠”，由分子組成，可作為每個(gè)鋰離子周圍的溶劑，就像食鹽溶解于液態(tài)水時(shí)，水分子圍繞著每個(gè)帶正電的鈉離子一樣。由美國能源部（DOE）勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室（Berkeley Lab）的研究人員領(lǐng)導(dǎo)的研究小組發(fā)現(xiàn)，與標(biāo)準(zhǔn)膜相比，溶劑籠可使鋰離子通過膜的流量增加一個(gè)數(shù)量級(jí)。此外，它還可以使高壓電池電芯具備更高的功率和效率，這對(duì)于電動(dòng)車輛和飛機(jī)非常重要。

（圖片來源：Berkeley Lab）

項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、Berkeley Lab分子工廠（Molecular Foundry）科學(xué)家Brett Helms表示：“雖然一直可以在較短尺度上配置膜的孔，但直到現(xiàn)在才可以設(shè)計(jì)出能從復(fù)雜混合物中結(jié)合特定離子和分子的位點(diǎn)，從而使這些離子和分子以高速率選擇性地?cái)U(kuò)散到膜中?！?/p>

為精確可以溶解鋰離子的膜中籠的設(shè)計(jì)，Helms及其團(tuán)隊(duì)研究了一種廣泛應(yīng)用的藥物開發(fā)過程。在該過程中，研究人員通常會(huì)建立和篩選具有不同結(jié)構(gòu)的大量小分子庫，從而明確與目標(biāo)生物分子結(jié)合的分子。與此方法相反，該小組假設(shè)，通過構(gòu)建和篩選具有不同孔結(jié)構(gòu)的大型膜庫，他們可以識(shí)別出能暫時(shí)容納鋰離子的籠子。從概念上講，膜中的溶劑籠類似于小分子藥物靶向的生物結(jié)合位點(diǎn)。

Helms的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出一種簡(jiǎn)單而有效的策略，可針對(duì)不同長度的不同聚合物膜提供功能和結(jié)構(gòu)多樣性。這些策略包括設(shè)計(jì)具有不同鋰離子溶劑強(qiáng)度的籠子，以及將籠子布置在相互連接的孔網(wǎng)中。Helms表示：“在此之前還沒有人采取多樣性導(dǎo)向的方法來設(shè)計(jì)多孔膜?！?/p>

利用這些策略，Helms研究小組的研究員Miranda Baran博士在Molecular Foundry系統(tǒng)地準(zhǔn)備了一個(gè)大型潛在膜庫。Miranda Baran及其合著者對(duì)每個(gè)膜進(jìn)行了篩選，確定那些擁有特定形狀和結(jié)構(gòu)且孔最適合選擇性捕獲和運(yùn)輸鋰離子的膜為最合適的膜。隨后，Baran又與太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室的DOE用戶設(shè)施環(huán)境分子科學(xué)實(shí)驗(yàn)室的Kee Sung Han和Karl Mueller合作，采用先進(jìn)核磁共振技術(shù)，揭示電池聚合物膜中鋰離子的流動(dòng)情況。

當(dāng)談及負(fù)帶電離子在進(jìn)入膜與鋰鹽結(jié)合時(shí)，Baran表示：“結(jié)果令人震驚。溶劑籠不僅增加了膜中鋰離子的濃度，而且鋰離子擴(kuò)散速度也比其抗衡陰離子快?！被\中鋰離子的溶劑有助于形成阻止陰離子流動(dòng)的膜。

為進(jìn)一步了解新膜形成的分子原因，研究人員與博士后Artem Baskin合作，利用Berkeley Lab國家能源研究科學(xué)計(jì)算中心（NERSC）的計(jì)算資源進(jìn)行計(jì)算，確定當(dāng)鋰離子與膜孔中的籠子結(jié)合時(shí)形成的溶劑化作用的精確性質(zhì)。與沒有溶劑籠的標(biāo)準(zhǔn)膜相比，這種溶劑化作用使鋰離子在新膜中的濃度更高。

最后，研究人員研究了該膜在實(shí)際電池中的性能，并確定在電池充放電過程中，鋰金屬電極上的鋰離子容納或釋放的難易程度。他們使用Berkeley Lab高級(jí)光源（Advanced Light Source）的X射線工具觀察到鋰離子在改進(jìn)電池中的流動(dòng)過程，其中，該電池電極被新膜隔開。X射線圖像顯示，與使用標(biāo)準(zhǔn)膜的電池相比，鋰離子在電極上平滑且均勻地沉積。結(jié)果表明若膜中存在溶劑籠，電池充放電可以更加快速有效。

通過以多樣性為導(dǎo)向的方法篩選潛在膜，研究人員創(chuàng)建出一種新材料，可在不犧牲選擇性的情況下快速運(yùn)輸離子。加州大學(xué)伯克利分校領(lǐng)導(dǎo)的DOE能源前沿研究中心（Energy Frontier Research Center）清潔能源技術(shù)相關(guān)氣體分離中心也支持了此項(xiàng)研究的部分工作，包括成分分析、氣體吸收和X射線散射測(cè)量。

Berkeley Lab團(tuán)隊(duì)未來將擴(kuò)展膜庫并對(duì)其進(jìn)行篩選，提高清潔能源技術(shù)中其他離子和可能分子的傳輸性能。Helms表示：“我們還看到了以多樣性為導(dǎo)向的合成和數(shù)字留結(jié)合的可能性，通過自主試驗(yàn)加快先進(jìn)膜的開發(fā)?！?/p>

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