研究人员开发出新型聚合物膜 可提高EV电池性能

在电池和燃料电池能源技术方面，允许一些分子快速通过并阻止其他分子通过的膜对于精炼和水净化非常重要。比如分隔电池两端的膜，可以防止短路，同时可以输送带电粒子或离子，保持电流流动。

具有用于穿透物的特殊标准的选择性膜将对电池中的工作离子具有低渗透性，从而降低电池功率和能量效率。为了避免选择性和渗透性之间的权衡，研究人员正在开发增加离子在膜中的溶解度和流动性的方法，以便更多的离子可以更快地通过膜，从而提高电池的性能，并改善其他能源技术。

最近，研究人员设计了一种聚合物膜，并在其孔隙中构建了锂盐中带正电荷离子的分子笼。这些分子笼被称为“溶剂笼”，它们由分子组成，可以作为每个锂离子周围的溶剂，就像盐溶解在液态水中时水分子包围每个带正电荷的钠离子一样。由来自美国能源部(DOE)劳伦斯伯克利实验室的研究人员领导的研究小组发现，与标准膜相比，溶剂笼可以将锂离子通过膜的通量提高一个数量级。此外，它可以使高压电池单元具有更高的功率和效率，这对电动汽车和飞机非常重要。

(来源:伯克利实验室)

该项目负责人、伯克利实验室分子铸造厂的科学家布雷特·赫尔姆斯(Brett Helms)说:“虽然已经可以在短范围内排列膜的孔隙，但直到现在，我们才能设计出可以结合复杂混合物中特定离子和分子的位点，使这些离子和分子能够选择性地以高速扩散到膜中。”

为了精确地设计能够溶解锂离子的膜中的笼子，赫尔姆斯和他的团队研究了一种广泛使用的药物开发过程。在这个过程中，研究人员通常会建立和筛选大量不同结构的小分子库，从而识别与目标生物分子结合的分子。与这种方法相反，该团队假设通过构建和筛选具有不同孔结构的大型膜库，他们可以识别出可能暂时包含锂离子的笼。从概念上讲，膜中的溶剂笼类似于药物小分子靶向的生物结合位点。

赫尔姆斯的团队设计了一种简单有效的策略，为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，以及将笼排列在互连的孔网络中。赫尔姆斯说:“以前没有人采用面向多样性的方法来设计多孔膜。”

利用这些策略，Helms研究小组的研究人员Miranda Baran博士在分子铸造中系统地制备了一个大型潜在膜库。米兰达·巴兰(Miranda Baran)和她的合著者筛选了每一种膜，并确定那些具有特定形状和结构以及最适合选择性捕获和运输锂离子的孔的膜是最适合的膜。随后，Baran与太平洋西北国家实验室DOE用户设施环境分子科学实验室的Kee Sung Han和Karl Mueller合作，利用先进的核磁共振技术揭示了锂离子在电池聚合物膜中的流动。

在谈到负电荷离子进入膜时与锂盐结合时，巴兰说:“结果令人震惊。溶剂笼不仅增加了锂离子在膜中的浓度，而且锂离子的扩散速度比其抗衡阴离子更快。”笼中锂离子的溶剂有助于形成一层阻止阴离子流动的薄膜。

为了进一步了解新膜形成的分子原因，研究人员与博士后阿特姆·巴斯金合作，利用伯克利实验室国家能源研究和科学计算中心(NERSC)的计算资源，确定锂离子与膜孔中的笼结合时形成的溶剂化的确切性质。与没有溶剂笼的标准膜相比，这种溶剂化使得新膜中的锂离子浓度更高。

最后，研究人员研究了……膜在实际电池中的性能，并决定了在电池充放电过程中在锂金属电极上容纳或释放锂离子的难度。他们使用伯克利实验室先进光源的X射线工具来观察锂离子在改进电池中的流动过程，其中电池的电极被新的薄膜隔开。x射线图像显示，与使用标准膜的电池相比，锂离子平滑且均匀地沉积在电极上。结果表明，如果膜中有溶剂笼，电池可以更快更有效地充放电。

通过以多样性为导向的方式筛选潜在的膜，研究人员创造了一种新材料，可以在不牺牲选择性的情况下快速传输离子。加州大学伯克利分校领导的能源部能源前沿研究中心清洁能源技术相关的气体分离中心也支持了这项研究的部分工作，包括成分分析、气体吸收和X射线散射测量。

伯克利实验室团队未来将对膜库进行扩展和筛选，以提高清洁能源技术中其他离子和可能分子的传输性能。赫尔姆斯说:“我们还看到了将多样性导向合成与数字保留相结合的可能性，并通过独立实验加速先进膜的开发。”在电池和燃料电池能源技术方面，允许一些分子快速通过并阻止其他分子通过的膜对于精炼和水净化非常重要。比如分隔电池两端的膜，可以防止短路，同时可以输送带电粒子或离子，保持电流流动。

具有用于穿透物的特殊标准的选择性膜将对电池中的工作离子具有低渗透性，从而降低电池功率和能量效率。为了避免选择性和渗透性之间的权衡，研究人员正在开发增加离子在膜中的溶解度和流动性的方法，以便更多的离子可以更快地通过膜，从而提高电池的性能，并改善其他能源技术。

最近，研究人员设计了一种聚合物膜，并在其孔隙中构建了锂盐中带正电荷离子的分子笼。这些分子笼被称为“溶剂笼”，它们由分子组成，可以作为每个锂离子周围的溶剂，就像盐溶解在液态水中时水分子包围每个带正电荷的钠离子一样。由来自美国能源部(DOE)劳伦斯伯克利实验室的研究人员领导的研究小组发现，与标准膜相比，溶剂笼可以将锂离子通过膜的通量提高一个数量级。此外，它可以使高压电池单元具有更高的功率和效率，这对电动汽车和飞机非常重要。

(来源:伯克利实验室)

该项目负责人、伯克利实验室分子铸造厂的科学家布雷特·赫尔姆斯(Brett Helms)说:“虽然已经可以在短范围内排列膜的孔隙，但直到现在，我们才能设计出可以结合复杂混合物中特定离子和分子的位点，使这些离子和分子能够选择性地以高速扩散到膜中。”

为了精确地设计能够溶解锂离子的膜中的笼子，赫尔姆斯和他的团队研究了一种广泛使用的药物开发过程。在这个过程中，研究人员通常会建立和筛选大量不同结构的小分子库，从而识别与目标生物分子结合的分子。与这种方法相反，该团队假设通过构建和筛选具有不同孔结构的大型膜库，他们可以识别出可能暂时包含锂离子的笼。从概念上讲，膜中的溶剂笼类似于药物小分子靶向的生物结合位点。

赫尔姆斯的团队设计了一种简单有效的策略，为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，以及将笼排列在互连的孔网络中。赫尔姆斯说:“以前没有人采用面向多样性的方法来设计多孔膜。”

利用这些策略，Helms研究小组的研究人员Miranda Baran博士在分子铸造中系统地制备了一个大型潜在膜库。……iranda Baran和她的合著者筛选了每种膜，并确定那些具有特定形状和结构以及最适合选择性捕获和运输锂离子的孔的膜是最适合的膜。随后，Baran与太平洋西北国家实验室DOE用户设施环境分子科学实验室的Kee Sung Han和Karl Mueller合作，利用先进的核磁共振技术揭示了锂离子在电池聚合物膜中的流动。

在谈到负电荷离子进入膜时与锂盐结合时，巴兰说:“结果令人震惊。溶剂笼不仅增加了锂离子在膜中的浓度，而且锂离子的扩散速度比其抗衡阴离子更快。”笼中锂离子的溶剂有助于形成一层阻止阴离子流动的薄膜。

为了进一步了解新膜形成的分子原因，研究人员与博士后阿特姆·巴斯金合作，利用伯克利实验室国家能源研究和科学计算中心(NERSC)的计算资源，确定锂离子与膜孔中的笼结合时形成的溶剂化的确切性质。与没有溶剂笼的标准膜相比，这种溶剂化使得新膜中的锂离子浓度更高。

最后，研究人员研究了薄膜在实际电池中的性能，确定了电池充放电过程中，锂金属电极上容纳或释放锂离子的难易程度。他们使用伯克利实验室先进光源的X射线工具来观察锂离子在改进电池中的流动过程，其中电池的电极被新的薄膜隔开。x射线图像显示，与使用标准膜的电池相比，锂离子平滑且均匀地沉积在电极上。结果表明，如果膜中有溶剂笼，电池可以更快更有效地充放电。

通过以多样性为导向的方式筛选潜在的膜，研究人员创造了一种新材料，可以在不牺牲选择性的情况下快速传输离子。加州大学伯克利分校领导的能源部能源前沿研究中心清洁能源技术相关的气体分离中心也支持了这项研究的部分工作，包括成分分析、气体吸收和X射线散射测量。

伯克利实验室团队未来将对膜库进行扩展和筛选，以提高清洁能源技术中其他离子和可能分子的传输性能。赫尔姆斯说:“我们还看到了将多样性导向合成与数字保留相结合的可能性，并通过独立实验加速先进膜的开发。”

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