「600858」研究人员开发出新型聚合物膜 可提高EV电池性能
2023-01-27 12:42:55 来源：盛楚鉫鉅网
就电池和燃料电池能量技能而言，答应某些分子快速经过并阻挠其他分子经过的膜关于提炼和水净化非常重要。例如，将电池两头分隔的膜可防止短路，一起也能够传输带电粒子或离子，坚持电流活动。
对穿透物具有特别规范的挑选性膜(selectivemembranes)会对电池中的作业离子的浸透率很低，然后下降电池功率和能效。为防止在挑选性和浸透性之间取舍，研讨人员正在开发能够添加膜内离子的溶解度和迁移率的办法，然后使更多离子更快速地经过膜，然后进步电池功用并改善其他动力技能。
最近，研讨人员规划出一种聚合物膜，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相同。由美国动力部(DOE)劳伦斯伯克利国家实验室(BerkeleyLab)的研讨人员领导的研讨小组发现，与规范膜比较，溶剂笼可使锂离子经过膜的流量添加一个数量级。此外，它还能够使高压电池电芯具有更高的功率和功率，这关于电动车辆和飞机非常重要。
项目负责人、BerkeleyLab分子工厂(MolecularFoundry)科学家BrettHelms表明：“尽管一向能够在较短尺度上装备膜的孔，但直到现在才能够规划出能从杂乱混合物中结合特定离子和分子的位点，然后使这些离子和分子以高速率挑选性地分散到膜中。”
为准确能够溶解锂离子的膜中笼的规划，Helms及其团队研讨了一种广泛应用的药物开发进程。在该进程中，研讨人员通常会树立和挑选具有不同结构的很多小分子库，然后清晰与方针生物分子结合的分子。与此办法相反，该小组假定，经过构建和挑选具有不同孔结构的大型膜库，他们能够识别出能暂时包容锂离子的笼子。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的团队规划出一种简略而有用的战略，可针对不同长度的不同聚合物膜供给功用和结构多样性。这些战略包含规划具有不同锂离子溶剂强度的笼子，以及将笼子安置在相互连接的孔中。Helms表明：“在此之前还没有人采纳多样性导向的办法来规划多孔膜。”
运用这些战略，Helms研讨小组的研讨员MirandaBaran博士在MolecularFoundry体系地预备了一个大型潜在膜库。MirandaBaran及其合著者对每个膜进行了挑选，确认那些具有特定形状和结构且孔最合适挑选性捕获和运送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用户设备环境分子科学实验室的KeeSungHan和KarlMueller协作，选用先进核磁共振技能，提醒电池聚合物膜中锂离子的活动状况。
当谈及负带电离子在进入膜与锂盐结合时，Baran表明：“成果令人震惊。溶剂笼不只添加了膜中锂离子的浓度，并且锂离子分散速度也比其抗衡阴离子快。”笼中锂离子的溶剂有助于构成阻挠阴离子活动的膜。
为进一步了解新膜构成的分子原因，研讨人员与博士后ArtemBaskin协作，运用BerkeleyLab国家动力研讨科学核算中心(NERSC)的核算资源进行核算，确认当锂离子与膜孔中的笼子结合时构成的溶剂化效果的准确性质。与没有溶剂笼的规范膜比较，这种溶剂化效果使锂离子在新膜中的浓度更高。
最终，研讨人员研讨了该膜在实践电池中的功用，并确认在电池充放电进程中，锂金属电极上的锂离子包容或开释的难易程度。他们运用BerkeleyLab高档光源(AdvancedLightSource)的X射线东西观察到锂离子在改善电池中的活动进程，其间，该电池电极被新膜离隔。X射线图画显现，与运用规范膜的电池比较，锂离子在电极上滑润且均匀地堆积。成果表明若膜中存在溶剂笼，电池充放电能够愈加速速有用。
经过以多样性为导向的办法挑选潜在膜，研讨人员创建出一种新材料，可在不献身挑选性的状况下快速运送离子。加州大学伯克利分校领导的DOE动力前沿研讨中心(EnergyFrontierResearchCenter)清洁动力技能相关气体别离中心也支撑了此项研讨的部分作业，包含成分剖析、气体吸收和X射线散射丈量。
BerkeleyLab团队未来将扩展膜库并对其进行挑选，进步清洁动力技能中其他离子和或许分子的传输功用。Helms表明：“咱们还看到了以多样性为导向的组成和数字留结合的或许性，经过自主实验加速先进膜的开发。”
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