Design af selektive membraner til batterier ved hjælp af en værktøjskasse til opdagelse af lægemidler

Membraner, der gør det muligt for visse molekyler hurtigt at passere, mens de blokerer andre, er centrale muligheder for energiteknologier fra batterier og brændselsceller til ressourceforbedring og vandrensning. For eksempel, membraner i et batteri, der adskiller de to terminaler, hjælper med at forhindre kortslutninger, samtidig med at den tillader transport af ladede partikler, eller ioner, nødvendig for at opretholde strømmen af ​​elektricitet.

De mest selektive membraner - dem med meget specifikke kriterier for, hvad der kan passere - lider af lav permeabilitet for arbejdende ion i batteriet, hvilket begrænser batteriets effekt og energieffektivitet. For at overvinde afvejninger mellem membranselektivitet og permeabilitet, forskere udvikler måder at øge opløseligheden og mobiliteten af ​​ioner i membranen, tillader derfor et højere antal af dem at passere hurtigere gennem membranen. Hvis du gør det, kan det forbedre batteriets ydeevne og andre energiteknologier.

Nu, som rapporteret i dag i journalen Natur , forskere har designet en polymermembran med molekylære bure indbygget i dets porer, der holder positivt ladede ioner fra et lithiumsalt. Disse bure, kaldet "frelsesbure, "omfatter molekyler, der tilsammen fungerer som et opløsningsmiddel, der omgiver hver lithiumion - ligesom vandmolekyler omgiver hver positivt ladede natriumion i den velkendte proces med bordsalt, der opløses i flydende vand. Teamet, ledet af forskere ved U.S. Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), fandt ud af, at opløsningsbure øgede strømmen af ​​lithiumioner gennem membranen med en størrelsesorden sammenlignet med standardmembraner. Membranen kunne tillade højspændingsbatterier at fungere ved højere effekt og mere effektivt, vigtige faktorer for både elbiler og fly.

"Selvom det har været muligt at konfigurere en membrans porer i meget små længder, det har ikke været muligt indtil nu at designe steder til at binde specifikke ioner eller molekyler fra komplekse blandinger og muliggøre deres spredning i membranen både selektivt og med en høj hastighed, "sagde Brett Helms, en hovedforsker i Joint Center for Energy Storage Research (JCESR) og personaleforsker i Berkeley Labs Molecular Foundry, der ledede arbejdet.

Forskningen er støttet af JCESR, en DOE Energy Innovation Hub, hvis mission er at levere transformerende nye koncepter og materialer til elektroder, elektrolytter, og grænseflader, der muliggør en mangfoldighed af højtydende næste generations batterier til transport og nettet. I særdeleshed, JCESR gav motivationen til at forstå, hvordan ioner opløses i porøse polymermembraner, der bruges i energilagringsenheder, Sagde Helms.

For at finde et design til et bur i en membran, der ville løse lithiumioner, Helms og hans team kiggede på en meget praktiseret lægemiddelopdagelsesproces. Ved opdagelse af stoffer, det er almindeligt at bygge og screene store biblioteker med små molekyler med forskellige strukturer for at finde en, der binder til et biologisk molekyle af interesse. Omvendt den tilgang, holdet antog, at ved at bygge og screene store biblioteker af membraner med forskellige porestrukturer, det ville være muligt at identificere et bur til midlertidigt at holde lithiumioner. Konceptuelt, opløsningsbure i membranerne er analoge med det biologiske bindingssted målrettet mod små molekylmedicin.

Helms 'team udtænkte en enkel, men effektiv strategi til at indføre funktionel og strukturel mangfoldighed på tværs af flere længder i polymermembranerne. Disse strategier omfattede design til bure med forskellige solvationsstyrker for lithiumioner, samt arrangement af bure i et sammenkoblet netværk af porer. "Inden vores arbejde, en mangfoldighedsorienteret tilgang til design af porøse membraner ikke var blevet foretaget, "sagde Helms.

Ved hjælp af disse strategier, Miranda Baran, en kandidatstuderende forsker i Helms 'forskergruppe og en ph.d. studerende ved Institut for Kemi ved UC Berkeley og hovedforfatter på papiret, systematisk udarbejdet et stort bibliotek af mulige membraner på Molecular Foundry. Hun og medforfattere screenede eksperimentelt hver enkelt for at bestemme en førende kandidat, hvis specifikke form og arkitektur gjorde sine porer bedst egnede til selektivt at fange og transportere litiumioner. Derefter, arbejder med Kee Sung Han og Karl Mueller ved Environmental Molecular Sciences Laboratory, en DOE -brugerfacilitet på Pacific Northwest National Laboratory, Baran og Helms afslørede, ved hjælp af avancerede nukleare magnetiske resonans teknikker, hvordan lithiumioner flyder inden i polymermembranen sammenlignet med andre ioner i batteriet.

"Det, vi fandt, var overraskende. Ikke alene øger opløsningsburene koncentrationen af ​​lithiumioner i membranen, men litiumionerne i membranen diffunderer hurtigere end deres modanioner, "sagde Baran, henviser til de negativt ladede partikler, der er forbundet med litiumsaltet, når det kommer ind i membranen. Opløsningen af ​​litiumioner i burene var med til at danne et lag, der blokerede strømmen af ​​disse anioner.

For yderligere at forstå de molekylære årsager til den nye membrans adfærd, forskerne samarbejdede med Artem Baskin, en postdoktorforsker, der arbejder med David Prendergast, en anden efterforsker i JCESR. De udførte beregninger, ved hjælp af computerressourcer på Berkeley Labs National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), at bestemme den præcise karakter af solveringseffekten, der opstår, når lithiumioner forbinder med burene i membranens porer. Denne solvationseffekt får lithiumioner til at koncentrere sig mere i den nye membran, end de gør i standardmembraner uden opløsningsbure.

Endelig, forskerne undersøgte, hvordan membranen fungerede i et faktisk batteri, og bestemte den lethed, hvormed lithiumioner er indkvarteret eller frigivet ved en lithiummetallelektrode under batteriets opladning og afladning. Brug af røntgenværktøjer på Berkeley Labs avancerede lyskilde, de observerede lithiumflow gennem en modificeret battericelle, hvis elektroder blev adskilt af den nye membran. Røntgenbillederne viste, at i modsætning til batterier, der brugte standardmembraner, lithium blev aflejret jævnt og ensartet ved elektroden, hvilket indikerer, at batteriet oplades og aflades hurtigt og effektivt takket være solvation burene i membranen.

Med deres mangfoldighedsorienterede tilgang til screening af mulige membraner, forskerne nåede målet om at skabe et materiale, der hjælper med at transportere ioner hurtigt uden at ofre selektiviteten. Dele af arbejdet - herunder komponentanalyse, gassorption, og røntgenspredningsmålinger-blev også understøttet af Center for Gasseparationer, der er relevante for ren energiteknologi, et DOE Energy Frontier Research Center ledet af UC Berkeley.

Fremtidigt arbejde fra Berkeley Lab -teamet vil udvide biblioteket af membraner og screene det for forbedrede transportegenskaber for andre ioner og molekyler af interesse for rene energiteknologier. "Vi ser også spændende muligheder for at kombinere mangfoldighedsorienteret syntese med digitale arbejdsgange til accelereret opdagelse af avancerede membraner gennem autonome eksperimenter, "sagde Helms.