研究人员开发出新型聚合物膜 可提高EV电池性能

就电池和燃料电池能量技术而言，允许某些分子快速通过并阻止其他分子通过的膜对于提炼和水净化非常重要。例如，将电池两端分开的膜可防止短路，同时也可以传输带电粒子或离子，保持电流流动。

对穿透物具有特别标准的选择性膜（selective membranes）会对电池中的工作离子的渗透率很低，从而降低电池功率和能效。为避免在选择性和渗透性之间取舍，研究人员正在开发能够增加膜内离子的溶解度和迁移率的方法，从而使更多离子更快速地通过膜，进而提高电池性能并改善其他能源技术。

最近，研究人员设计出一种聚合物膜，并在其孔隙中内置锂盐中带正电离子的分子笼。这些分子笼被称为“溶剂笼”，由分子组成，可作为每个锂离子周围的溶剂，就像食盐溶解于液态水时，水分子围绕着每个带正电的钠离子一样。由美国能源部（DOE）劳伦斯伯克利国家实验室（Berkeley Lab）的研究人员领导的研究小组发现，与标准膜相比，溶剂笼可使锂离子通过膜的流量增加一个数量级。此外，它还可以使高压电池电芯具备更高的功率和效率，这对于电动车辆和飞机非常重要。

（图片来源：Berkeley Lab）

项目负责人、Berkeley Lab分子工厂（Molecular Foundry）科学家Brett Helms表示：“虽然一直可以在较短尺度上配置膜的孔，但直到现在才可以设计出能从复杂混合物中结合特定离子和分子的位点，从而使这些离子和分子以高速率选择性地扩散到膜中。”

为精确可以溶解锂离子的膜中笼的设计，Helms及其团队研究了一种广泛应用的药物开发过程。在该过程中，研究人员通常会建立和筛选具有不同结构的大量小分子库，从而明确与目标生物分子结合的分子。与此方法相反，该小组假设，通过构建和筛选具有不同孔结构的大型膜库，他们可以识别出能暂时容纳锂离子的笼子。从概念上讲，膜中的溶剂笼类似于小分子药物靶向的生物结合位点。

Helms的团队设计出一种简单而有效的策略，可针对不同长度的不同聚合物膜提供功能和结构多样性。这些策略包括设计具有不同锂离子溶剂强度的笼子，以及将笼子布置在相互连接的孔网中。Helms表示：“在此之前还没有人采取多样性导向的方法来设计多孔膜。”

利用这些策略，Helms研究小组的研究员Miranda Baran博士在Molecular Foundry系统地准备了一个大型潜在膜库。Miranda Baran及其合著者对每个膜进行了筛选，确定那些拥有特定形状和结构且孔最适合选择性捕获和运输锂离子的膜为最合适的膜。随后，Baran又与太平洋西北国家实验室的DOE用户设施环境分子科学实验室的Kee Sung Han和Karl Mueller合作，采用先进核磁共振技术，揭示电池聚合物膜中锂离子的流动情况。

当谈及负带电离子在进入膜与锂盐结合时，Baran表示：“结果令人震惊。溶剂笼不仅增加了膜中锂离子的浓度，而且锂离子扩散速度也比其抗衡阴离子快。”笼中锂离子的溶剂有助于形成阻止阴离子流动的膜。

为进一步了解新膜形成的分子原因，研究人员与博士后Artem Baskin合作，利用Berkeley Lab国家能源研究科学计算中心（NERSC）的计算资源进行计算，确定当锂离子与膜孔中的笼子结合时形成的溶剂化作用的精确性质。与没有溶剂笼的标准膜相比，这种溶剂化作用使锂离子在新膜中的浓度更高。

最后，研究人员研究了该膜在实际电池中的性能，并确定在电池充放电过程中，锂金属电极上的锂离子容纳或释放的难易程度。他们使用Berkeley Lab高级光源（Advanced Light Source）的X射线工具观察到锂离子在改进电池中的流动过程，其中，该电池电极被新膜隔开。X射线图像显示，与使用标准膜的电池相比，锂离子在电极上平滑且均匀地沉积。结果表明若膜中存在溶剂笼，电池充放电可以更加快速有效。

通过以多样性为导向的方法筛选潜在膜，研究人员创建出一种新材料，可在不牺牲选择性的情况下快速运输离子。加州大学伯克利分校领导的DOE能源前沿研究中心（Energy Frontier Research Center）清洁能源技术相关气体分离中心也支持了此项研究的部分工作，包括成分分析、气体吸收和X射线散射测量。

Berkeley Lab团队未来将扩展膜库并对其进行筛选，提高清洁能源技术中其他离子和可能分子的传输性能。Helms表示：“我们还看到了以多样性为导向的合成和数字留结合的可能性，通过自主试验加快先进膜的开发。”