Las membranas que permiten que ciertas moléculas pasen rápidamente mientras bloquean otras son habilitadores clave para las tecnologías energéticas, desde baterías y celdas de combustible hasta el refinamiento de recursos y la purificación del agua. Por ejemplo, las membranas en una batería que separan los dos terminales ayudan a prevenir cortocircuitos, al mismo tiempo que permite el transporte de partículas cargadas, o iones, necesario para mantener el flujo de electricidad.

Las membranas más selectivas, aquellas con criterios muy específicos para lo que puede atravesar, sufren de baja permeabilidad para el ión de trabajo en la batería. lo que limita la potencia y la eficiencia energética de la batería. Para superar las compensaciones entre la selectividad y la permeabilidad de la membrana, los investigadores están desarrollando formas de aumentar la solubilidad y la movilidad de los iones dentro de la membrana, por lo tanto, permite que un mayor número de ellos transite a través de la membrana más rápidamente. Hacerlo podría mejorar el rendimiento de las baterías y otras tecnologías energéticas.

Ahora, como se informó hoy en la revista Naturaleza , Los investigadores han diseñado una membrana de polímero con jaulas moleculares integradas en sus poros que contienen iones cargados positivamente de una sal de litio. Estas jaulas llamadas "jaulas de solvatación, "comprenden moléculas que juntas actúan como un solvente que rodea a cada ión de litio, al igual que las moléculas de agua rodean a cada ión de sodio con carga positiva en el proceso familiar de disolución de la sal de mesa en agua líquida. El equipo, dirigido por investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de EE. UU. (Berkeley Lab), encontraron que las jaulas de solvatación aumentaban el flujo de iones de litio a través de la membrana en un orden de magnitud en comparación con las membranas estándar. La membrana podría permitir que las celdas de la batería de alto voltaje funcionen a mayor potencia y de manera más eficiente. factores importantes tanto para vehículos eléctricos como para aviones.

"Si bien ha sido posible configurar los poros de una membrana a escalas de longitud muy pequeñas, Hasta ahora no ha sido posible diseñar sitios para unir iones o moléculas específicas de mezclas complejas y permitir su difusión en la membrana tanto de forma selectiva como a alta velocidad. "dijo Brett Helms, investigador principal en el Centro Conjunto para la Investigación del Almacenamiento de Energía (JCESR) y científico de planta en la Fundición Molecular de Berkeley Lab, quien dirigió el trabajo.

La investigación cuenta con el apoyo de JCESR, un Centro de Innovación Energética del DOE cuya misión es ofrecer nuevos conceptos y materiales transformadores para electrodos, electrolitos e interfaces que permitirán una diversidad de baterías de próxima generación de alto rendimiento para el transporte y la red. En particular, JCESR proporcionó la motivación para comprender cómo se solvatan los iones en las membranas de polímero poroso que se utilizan en los dispositivos de almacenamiento de energía, Dijo Helms.

Para señalar un diseño para una jaula en una membrana que solvatara iones de litio, Helms y su equipo buscaron un proceso de descubrimiento de fármacos ampliamente practicado. En el descubrimiento de fármacos, Es común construir y seleccionar grandes bibliotecas de moléculas pequeñas con diversas estructuras para identificar una que se une a una molécula biológica de interés. Invirtiendo ese enfoque, el equipo planteó la hipótesis de que al construir y analizar grandes bibliotecas de membranas con diversas estructuras de poros, sería posible identificar una jaula para contener temporalmente iones de litio. Conceptualmente las jaulas de solvatación en las membranas son análogas al sitio de unión biológica al que se dirigen los fármacos de molécula pequeña.

El equipo de Helms ideó una estrategia simple pero efectiva para introducir diversidad funcional y estructural en múltiples escalas de longitud en las membranas de polímero. Estas estrategias incluyeron diseños para jaulas con diferentes fuerzas de solvatación para iones de litio, así como arreglos de jaulas en una red interconectada de poros. "Antes de nuestro trabajo, no se había adoptado un enfoque orientado a la diversidad para el diseño de membranas porosas, "dijo Helms.

Usando estas estrategias, Miranda Baran, un investigador estudiante de posgrado en el grupo de investigación de Helms y un Ph.D. estudiante del Departamento de Química de UC Berkeley y autor principal del artículo, preparó sistemáticamente una gran biblioteca de posibles membranas en Molecular Foundry. Ella y sus coautores examinaron experimentalmente cada uno para determinar un candidato principal cuya forma y arquitectura específicas hicieran que sus poros fueran los más adecuados para capturar y transportar iones de litio de manera selectiva. Luego, trabajando con Kee Sung Han y Karl Mueller en el Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales, una instalación para usuarios del DOE en el Pacific Northwest National Laboratory, Baran y Helms revelaron, utilizando técnicas avanzadas de resonancia magnética nuclear, cómo fluyen los iones de litio dentro de la membrana de polímero en comparación con otros iones de la batería.

"Lo que encontramos fue sorprendente. No solo las jaulas de solvatación aumentan la concentración de iones de litio en la membrana, pero los iones de litio en la membrana se difunden más rápido que sus contraaniones, "dijo Baran, refiriéndose a las partículas cargadas negativamente que están asociadas con la sal de litio cuando ingresa a la membrana. La solvatación de iones de litio en las jaulas ayudó a formar una capa que bloqueó el flujo de esos aniones.

Para comprender mejor las razones moleculares del comportamiento de la nueva membrana, los investigadores colaboraron con Artem Baskin, un investigador postdoctoral que trabaja con David Prendergast, otro investigador en JCESR. Hicieron cálculos, utilizando recursos informáticos en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética (NERSC) de Berkeley Lab, para determinar la naturaleza precisa del efecto de solvatación que se produce cuando los iones de litio se asocian con las jaulas en los poros de la membrana. Este efecto de solvatación hace que los iones de litio se concentren más en la nueva membrana que en las membranas estándar sin jaulas de solvatación.

Finalmente, los investigadores investigaron cómo funcionaba la membrana en una batería real, y determinó la facilidad con la que los iones de litio se alojan o liberan en un electrodo de metal de litio durante la carga y descarga de la batería. Usando herramientas de rayos X en la fuente de luz avanzada de Berkeley Lab, observaron el flujo de litio a través de una celda de batería modificada cuyos electrodos estaban separados por la nueva membrana. Las imágenes de rayos X mostraron que, a diferencia de las baterías que usaban membranas estándar, el litio se depositó suave y uniformemente en el electrodo, indicando que la batería se cargó y descargó rápida y eficientemente gracias a las jaulas de solvatación en la membrana.

Con su enfoque orientado a la diversidad para detectar posibles membranas, los investigadores lograron el objetivo de crear un material que ayude a transportar iones rápidamente sin sacrificar la selectividad. Partes del trabajo, incluido el análisis de componentes, sorción de gas, y mediciones de dispersión de rayos X, también fueron respaldadas por el Centro de Separaciones de Gas Relevantes para Tecnologías de Energía Limpia, un Centro de Investigación de la Frontera de la Energía del DOE dirigido por UC Berkeley.

El trabajo futuro del equipo de Berkeley Lab ampliará la biblioteca de membranas y la analizará para mejorar las propiedades de transporte de otros iones y moléculas de interés en tecnologías de energía limpia. "También vemos oportunidades interesantes para combinar la síntesis orientada a la diversidad con flujos de trabajo digitales para el descubrimiento acelerado de membranas avanzadas a través de la experimentación autónoma, "dijo Helms.