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科学家使用药物发现工具箱设计电池的选择性膜

允许某些分子快速通过而又阻止其他分子通过的膜,是从电池和燃料电池到资源提炼和水净化的能源技术的关键推动力。例如,将两个端子分开的电池中的膜有助于防止短路,同时还可以传输保持电流流动所需的带电粒子或离子。

选择性最强的膜-可能通过的标准非常严格的膜-电池中工作离子的渗透率低,这限制了电池的功率和能量效率。为了克服膜选择性和渗透性之间的折衷,研究人员正在开发增加离子在膜内的溶解度和迁移率的方法,从而使更多的离子更快速地通过膜。这样做可以提高电池和其他能源技术的性能。

现在,正如今天在《自然》杂志上报道的那样,研究人员设计了一种聚合物膜,该膜在其孔中内置了分子笼,可容纳锂盐中带正电的离子。这些笼称为“溶剂笼”,由分子共同充当围绕每个锂离子的溶剂-就像在熟悉的食盐溶解于液态水中的过程中,水分子围绕着每个带正电的钠离子一样。由能源部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,溶剂化笼罩使锂离子通过膜的流量增加了一个数量级。该膜可以使高压电池单元以更高的功率和更高的效率运行,这对于电动车辆和飞机而言都是重要的因素。

“虽然可以在很小的长度尺度上配置膜的孔,但直到现在,才能设计出结合复杂混合物中的特定离子或分子的位点,并使它们选择性地且高速率地扩散到膜中。”说布雷特·赫尔姆斯,在一个主要研究者联合中心储能研究(JCESR)和工作人员科学家伯克利实验室的分子铸造,谁领导的工作。

这项研究得到了能源部能源创新中心JCESR的支持,其任务是为电极,电解质和界面提供具有变革意义的新概念和新材料,以实现用于交通运输和电网的高性能下一代电池的多样性。Helms说,特别是,JCESR提供了动机来了解离子如何在储能设备中使用的多孔聚合物膜中被溶剂化。

为了查明在膜上能够溶解锂离子的笼子的设计,Helms和他的团队研究了广泛实践的药物发现过程。在药物发现中,通常会建立和筛选具有不同结构的大分子小分子库,以查明与目标生物分子结合的分子。与该方法相反,该小组假设通过构建和筛选具有不同孔结构的大型膜库,可以识别出暂时容纳锂离子的笼子。从概念上讲,膜中的溶剂化笼子类似于小分子药物靶向的生物结合位点

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