Le membrane che consentono a determinate molecole di passare rapidamente mentre ne bloccano altre sono fattori abilitanti chiave per le tecnologie energetiche dalle batterie e celle a combustibile al raffinamento delle risorse e alla purificazione dell'acqua. Per esempio, membrane in una batteria che separa i due terminali aiutano a prevenire cortocircuiti, consentendo anche il trasporto di particelle cariche, o ioni, necessario per mantenere il flusso di energia elettrica.

Le membrane più selettive, quelle con criteri molto specifici per ciò che può attraversare, soffrono di bassa permeabilità per lo ione di lavoro nella batteria, che limita la potenza della batteria e l'efficienza energetica. Per superare i compromessi tra selettività di membrana e permeabilità, i ricercatori stanno sviluppando modi per aumentare la solubilità e la mobilità degli ioni all'interno della membrana, consentendo quindi a un numero maggiore di essi di transitare più rapidamente attraverso la membrana. Ciò potrebbe migliorare le prestazioni delle batterie e di altre tecnologie energetiche.

Ora, come riportato oggi sul giornale Natura , i ricercatori hanno progettato una membrana polimerica con gabbie molecolari incorporate nei suoi pori che trattengono ioni caricati positivamente da un sale di litio. queste gabbie, chiamate "gabbie di solvatazione, " comprendono molecole che insieme agiscono come un solvente che circonda ogni ione di litio, proprio come le molecole d'acqua circondano ogni ione di sodio caricato positivamente nel processo familiare di scioglimento del sale da tavola in acqua liquida. Il team, guidato da ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, hanno scoperto che le gabbie di solvatazione aumentavano il flusso di ioni di litio attraverso la membrana di un ordine di grandezza rispetto alle membrane standard. La membrana potrebbe consentire alle celle della batteria ad alta tensione di funzionare a una potenza maggiore e in modo più efficiente, fattori importanti sia per i veicoli elettrici che per gli aerei.

"Mentre è stato possibile configurare i pori di una membrana su scale di lunghezza molto piccole, non è stato finora possibile progettare siti per legare specifici ioni o molecole da miscele complesse e consentire la loro diffusione nella membrana sia selettivamente che ad alta velocità, " disse Brett Helms, ricercatore principale presso il Joint Center for Energy Storage Research (JCESR) e scienziato del personale presso la Molecular Foundry di Berkeley Lab, che ha condotto i lavori.

La ricerca è supportata da JCESR, un DOE Energy Innovation Hub la cui missione è fornire nuovi concetti e materiali trasformativi per gli elettrodi, elettroliti, e interfacce che consentiranno una varietà di batterie di nuova generazione ad alte prestazioni per il trasporto e la rete. In particolare, JCESR ha fornito la motivazione per capire come gli ioni vengono solvatati nelle membrane polimeriche porose utilizzate nei dispositivi di accumulo di energia, ha detto Helms.

Per individuare un progetto per una gabbia in una membrana che solva gli ioni di litio, Helms e il suo team hanno cercato un processo di scoperta di farmaci ampiamente praticato. Nella scoperta di farmaci, è comune costruire e vagliare grandi librerie di piccole molecole con strutture diverse per individuarne una che si leghi a una molecola biologica di interesse. Invertendo questo approccio, il team ha ipotizzato che costruendo e schermando grandi librerie di membrane con diverse strutture di pori, sarebbe possibile identificare una gabbia per contenere temporaneamente ioni di litio. Concettualmente, le gabbie di solvatazione nelle membrane sono analoghe al sito di legame biologico preso di mira dai farmaci a piccole molecole.

Il team di Helms ha ideato una strategia semplice ma efficace per introdurre la diversità funzionale e strutturale su più scale di lunghezza nelle membrane polimeriche. Queste strategie includevano progetti per gabbie con diversi punti di forza di solvatazione per ioni di litio, così come disposizioni di gabbie in una rete interconnessa di pori. "Prima del nostro lavoro, non era stato intrapreso un approccio orientato alla diversità per la progettazione di membrane porose, " disse Helms.

Utilizzando queste strategie, Miranda Baran, uno studente laureato ricercatore nel gruppo di ricerca di Helms e un dottorato di ricerca. studente presso il Dipartimento di Chimica dell'Università di Berkeley e autore principale dell'articolo, preparato sistematicamente una vasta libreria di possibili membrane presso la Molecular Foundry. Lei e i coautori hanno esaminato sperimentalmente ciascuno di essi per determinare un candidato leader la cui forma e architettura specifiche rendevano i suoi pori più adatti per catturare e trasportare selettivamente gli ioni di litio. Quindi, lavorando con Kee Sung Han e Karl Mueller presso l'Environmental Molecular Sciences Laboratory, una struttura per gli utenti DOE presso il Pacific Northwest National Laboratory, Baran e Helms rivelati, utilizzando tecniche avanzate di risonanza magnetica nucleare, come gli ioni di litio scorrono all'interno della membrana polimerica rispetto ad altri ioni nella batteria.

"Ciò che abbiamo scoperto è stato sorprendente. Non solo le gabbie di solvatazione aumentano la concentrazione di ioni di litio nella membrana, ma gli ioni di litio nella membrana si diffondono più velocemente dei loro contro anioni, " disse Baran, riferendosi alle particelle cariche negativamente che sono associate al sale di litio quando entra nella membrana. La solvatazione degli ioni di litio nelle gabbie ha aiutato a formare uno strato che ha bloccato il flusso di quegli anioni.

Per comprendere ulteriormente le ragioni molecolari del comportamento della nuova membrana, i ricercatori hanno collaborato con Artem Baskin, un ricercatore post-dottorato che lavora con David Prendergast, un altro investigatore in JCESR. Hanno eseguito calcoli, utilizzando le risorse di calcolo presso il National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) del Berkeley Lab, per determinare la natura precisa dell'effetto di solvatazione che si verifica quando gli ioni di litio si associano alle gabbie nei pori della membrana. Questo effetto di solvatazione fa sì che gli ioni di litio si concentrino maggiormente nella nuova membrana rispetto alle membrane standard senza gabbie di solvatazione.

Finalmente, i ricercatori hanno studiato come si comportava la membrana in una batteria reale, e ha determinato la facilità con cui gli ioni di litio sono alloggiati o rilasciati in corrispondenza di un elettrodo di litio metallico durante la carica e la scarica della batteria. Utilizzando gli strumenti a raggi X presso l'Advanced Light Source del Berkeley Lab, hanno osservato il flusso di litio attraverso una cella di batteria modificata i cui elettrodi erano separati dalla nuova membrana. Le immagini a raggi X hanno mostrato che, a differenza delle batterie che utilizzavano membrane standard, il litio è stato depositato uniformemente e uniformemente sull'elettrodo, indicando che la batteria si è caricata e scaricata in modo rapido ed efficiente grazie alle gabbie di solvatazione nella membrana.

Con il loro approccio orientato alla diversità per lo screening di possibili membrane, i ricercatori hanno raggiunto l'obiettivo di creare un materiale che aiuta a trasportare rapidamente gli ioni senza sacrificare la selettività. Parti del lavoro, compresa l'analisi dei componenti, assorbimento di gas, e le misurazioni della diffusione dei raggi X, sono state supportate anche dal Center for Gas Separations Relevant to Clean Energy Technologies, un DOE Energy Frontier Research Center guidato da UC Berkeley.

Il lavoro futuro del team di Berkeley Lab amplierà la libreria di membrane e la esaminerà per proprietà di trasporto migliorate per altri ioni e molecole di interesse nelle tecnologie energetiche pulite. "Vediamo anche opportunità entusiasmanti per combinare la sintesi orientata alla diversità con flussi di lavoro digitali per la scoperta accelerata di membrane avanzate attraverso la sperimentazione autonoma, " disse Helms.