Les membranes qui permettent à certaines molécules de passer rapidement tout en bloquant d'autres sont des catalyseurs clés pour les technologies énergétiques, des batteries et des piles à combustible au raffinement des ressources et à la purification de l'eau. Par exemple, les membranes d'une batterie séparant les deux bornes permettent d'éviter les courts-circuits, tout en permettant également le transport de particules chargées, ou des ions, nécessaire pour maintenir le flux d'électricité.

Les membranes les plus sélectives, celles avec des critères très précis de passage, souffrent d'une faible perméabilité à l'ion de travail dans la batterie, ce qui limite la puissance et l'efficacité énergétique de la batterie. Pour surmonter les compromis entre la sélectivité de la membrane et la perméabilité, les chercheurs développent des moyens d'augmenter la solubilité et la mobilité des ions à l'intérieur de la membrane, permettant ainsi à un plus grand nombre d'entre eux de transiter plus rapidement à travers la membrane. Cela pourrait améliorer les performances des batteries et d'autres technologies énergétiques.

Maintenant, comme rapporté aujourd'hui dans le journal La nature , les chercheurs ont conçu une membrane polymère avec des cages moléculaires intégrées dans ses pores qui retiennent les ions chargés positivement d'un sel de lithium. Ces cages, appelés « cages de solvatation, " comprennent des molécules qui agissent ensemble comme un solvant entourant chaque ion lithium, un peu comme les molécules d'eau entourent chaque ion sodium chargé positivement dans le processus familier de dissolution du sel de table dans l'eau liquide. L'équipe, dirigé par des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département américain de l'Énergie, ont découvert que les cages de solvatation augmentaient le flux d'ions lithium à travers la membrane d'un ordre de grandeur par rapport aux membranes standard. La membrane pourrait permettre aux cellules de batterie haute tension de fonctionner à une puissance plus élevée et plus efficacement, facteurs importants tant pour les véhicules électriques que pour les avions.

« S'il a été possible de configurer les pores d'une membrane à de très petites échelles de longueur, il n'était pas possible jusqu'à présent de concevoir des sites pour lier des ions ou des molécules spécifiques de mélanges complexes et permettre leur diffusion dans la membrane à la fois sélectivement et à grande vitesse, " a déclaré Brett Helms, chercheur principal au Joint Center for Energy Storage Research (JCESR) et scientifique de la Molecular Foundry de Berkeley Lab, qui a dirigé les travaux.

La recherche est soutenue par le JCESR, un DOE Energy Innovation Hub dont la mission est de fournir de nouveaux concepts et matériaux transformationnels pour les électrodes, électrolytes, et des interfaces qui permettront une diversité de batteries hautes performances de nouvelle génération pour le transport et le réseau. En particulier, JCESR a fourni la motivation pour comprendre comment les ions sont solvatés dans les membranes polymères poreuses utilisées dans les dispositifs de stockage d'énergie, dit Helms.

Pour identifier une conception pour une cage dans une membrane qui solvaterait les ions lithium, Helms et son équipe se sont penchés sur un processus de découverte de médicaments largement pratiqué. Dans la découverte de médicaments, il est courant de créer et de cribler de grandes bibliothèques de petites molécules avec des structures diverses pour en identifier une qui se lie à une molécule biologique d'intérêt. Inversant cette approche, l'équipe a émis l'hypothèse qu'en construisant et en criblant de grandes bibliothèques de membranes avec diverses structures de pores, il serait possible d'identifier une cage pour contenir temporairement des ions lithium. Conceptuellement, les cages de solvatation dans les membranes sont analogues au site de liaison biologique ciblé par les médicaments à petites molécules.

L'équipe de Helms a conçu une stratégie simple mais efficace pour introduire une diversité fonctionnelle et structurelle sur plusieurs échelles de longueur dans les membranes polymères. Ces stratégies comprenaient des conceptions de cages avec différentes forces de solvatation pour les ions lithium, ainsi que des arrangements de cages dans un réseau interconnecté de pores. "Avant notre travail, une approche axée sur la diversité pour la conception des membranes poreuses n'avait pas été entreprise, " dit Helms.

En utilisant ces stratégies, Miranda Baran, un étudiant chercheur diplômé dans le groupe de recherche de Helms et un doctorat. étudiant au Département de chimie de l'UC Berkeley et auteur principal de l'article, a systématiquement préparé une grande bibliothèque de membranes possibles à la Fonderie Moléculaire. Elle et ses co-auteurs ont examiné expérimentalement chacun d'eux pour déterminer un candidat de premier plan dont la forme et l'architecture spécifiques ont rendu ses pores les mieux adaptés à la capture et au transport sélectifs des ions lithium. Puis, travaillant avec Kee Sung Han et Karl Mueller au Laboratoire des sciences moléculaires de l'environnement, une installation d'utilisateurs du DOE au Pacific Northwest National Laboratory, Baran et Helms révélés, en utilisant des techniques avancées de résonance magnétique nucléaire, comment les ions lithium circulent dans la membrane polymère par rapport aux autres ions de la batterie.

"Ce que nous avons trouvé était surprenant. Non seulement les cages de solvatation augmentent la concentration d'ions lithium dans la membrane, mais les ions lithium dans la membrane diffusent plus vite que leurs contre-anions, " dit Baran, se référant aux particules chargées négativement qui sont associées au sel de lithium lorsqu'il pénètre dans la membrane. La solvatation des ions lithium dans les cages a aidé à former une couche qui a bloqué le flux de ces anions.

Pour mieux comprendre les raisons moléculaires du comportement de la nouvelle membrane, les chercheurs ont collaboré avec Artem Baskin, un chercheur postdoctoral travaillant avec David Prendergast, un autre enquêteur du JCESR. Ils ont effectué des calculs, en utilisant les ressources informatiques du Centre national de calcul scientifique de la recherche énergétique de Berkeley Lab (NERSC), pour déterminer la nature précise de l'effet de solvatation qui se produit lorsque les ions lithium s'associent aux cages dans les pores de la membrane. Cet effet de solvatation amène les ions lithium à se concentrer davantage dans la nouvelle membrane que dans les membranes standard sans cages de solvatation.

Finalement, les chercheurs ont étudié les performances de la membrane dans une batterie réelle, et déterminé la facilité avec laquelle les ions lithium sont logés ou libérés au niveau d'une électrode au lithium métallique pendant la charge et la décharge de la batterie. À l'aide d'outils à rayons X à la source lumineuse avancée de Berkeley Lab, ils ont observé le flux de lithium à travers une cellule de batterie modifiée dont les électrodes étaient séparées par la nouvelle membrane. Les images aux rayons X ont montré que, contrairement aux batteries qui utilisaient des membranes standard, le lithium a été déposé en douceur et uniformément à l'électrode, indiquant que la batterie s'est chargée et déchargée rapidement et efficacement grâce aux cages de solvatation dans la membrane.

Avec leur approche axée sur la diversité pour le criblage des membranes possibles, les chercheurs ont atteint l'objectif de créer un matériau qui aide à transporter les ions rapidement sans sacrifier la sélectivité. Certaines parties du travail, y compris l'analyse des composants, absorption de gaz, et les mesures de diffusion des rayons X - ont également été soutenues par le Center for Gas Separations Relevant to Clean Energy Technologies, un centre de recherche DOE Energy Frontier dirigé par UC Berkeley.

Les travaux futurs de l'équipe du Berkeley Lab élargiront la bibliothèque de membranes et la cribleront pour des propriétés de transport améliorées pour d'autres ions et molécules d'intérêt dans les technologies d'énergie propre. « Nous voyons également des opportunités intéressantes pour combiner la synthèse axée sur la diversité avec des flux de travail numériques pour une découverte accélérée de membranes avancées grâce à une expérimentation autonome, " dit Helms.