Membranas que permitem que certas moléculas passem rapidamente enquanto bloqueiam outras são capacitadores-chave para tecnologias de energia de baterias e células de combustível ao refinamento de recursos e purificação de água. Por exemplo, membranas em uma bateria que separa os dois terminais ajudam a prevenir curtos-circuitos, ao mesmo tempo que permite o transporte de partículas carregadas, ou íons, necessário para manter o fluxo de eletricidade.

As membranas mais seletivas - aquelas com critérios muito específicos para o que pode passar - sofrem de baixa permeabilidade para o íon de trabalho na bateria, que limita o poder da bateria e eficiência energética. Para superar as compensações entre a seletividade da membrana e a permeabilidade, pesquisadores estão desenvolvendo maneiras de aumentar a solubilidade e a mobilidade dos íons dentro da membrana, portanto, permitindo que um número maior deles transite através da membrana mais rapidamente. Isso pode melhorar o desempenho das baterias e de outras tecnologias de energia.

Agora, conforme relatado hoje no jornal Natureza , os pesquisadores projetaram uma membrana de polímero com gaiolas moleculares embutidas em seus poros que retêm íons carregados positivamente de um sal de lítio. Essas gaiolas, chamadas de "gaiolas de solvatação, "compreendem moléculas que juntas agem como um solvente em torno de cada íon de lítio - da mesma forma como as moléculas de água cercam cada íon de sódio carregado positivamente no processo familiar de dissolução do sal de cozinha em água líquida. A equipe, liderado por pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos EUA (Berkeley Lab), descobriram que as gaiolas de solvatação aumentaram o fluxo de íons de lítio através da membrana em uma ordem de magnitude em comparação com as membranas padrão. A membrana pode permitir que as células da bateria de alta tensão operem com maior potência e de forma mais eficiente, fatores importantes para veículos elétricos e aeronaves.

"Embora tenha sido possível configurar os poros de uma membrana em escalas de comprimento muito pequenas, não foi possível até agora projetar locais para ligar íons específicos ou moléculas de misturas complexas e permitir sua difusão na membrana seletiva e em alta taxa, "disse Brett Helms, um investigador principal do Centro Conjunto para Pesquisa de Armazenamento de Energia (JCESR) e cientista da equipe de Fundição Molecular do Laboratório de Berkeley, quem liderou o trabalho.

A pesquisa é apoiada pelo JCESR, um Centro de Inovação de Energia DOE, cuja missão é fornecer novos conceitos e materiais transformacionais para eletrodos, eletrólitos, e interfaces que permitirão uma diversidade de baterias de próxima geração de alto desempenho para transporte e rede. Em particular, O JCESR forneceu a motivação para entender como os íons são solvatados em membranas poliméricas porosas usadas em dispositivos de armazenamento de energia, Helms disse.

Para apontar um projeto para uma gaiola em uma membrana que solvataria íons de lítio, Helms e sua equipe buscaram um processo de descoberta de medicamentos amplamente praticado. Na descoberta de drogas, é comum construir e rastrear grandes bibliotecas de pequenas moléculas com diversas estruturas para localizar uma que se liga a uma molécula biológica de interesse. Invertendo essa abordagem, a equipe formulou a hipótese de que, ao construir e examinar grandes bibliotecas de membranas com diversas estruturas de poros, seria possível identificar uma gaiola para conter temporariamente íons de lítio. Conceitualmente, as gaiolas de solvatação nas membranas são análogas ao local de ligação biológica direcionado por drogas de moléculas pequenas.

A equipe de Helms desenvolveu uma estratégia simples, mas eficaz para introduzir diversidade funcional e estrutural em várias escalas de comprimento nas membranas poliméricas. Essas estratégias incluíram projetos para gaiolas com diferentes forças de solvatação para íons de lítio, bem como arranjos de gaiolas em uma rede interconectada de poros. "Antes do nosso trabalho, uma abordagem orientada para a diversidade para o projeto de membranas porosas não foi realizada, "disse Helms.

Usando essas estratégias, Miranda Baran, um estudante de pós-graduação pesquisador no grupo de pesquisa de Helms e um Ph.D. estudante do Departamento de Química da UC Berkeley e principal autor do artigo, preparou sistematicamente uma grande biblioteca de membranas possíveis na Fundição Molecular. Ela e os co-autores examinaram experimentalmente cada um para determinar um candidato líder cuja forma e arquitetura específicas tornavam seus poros mais adequados para capturar e transportar seletivamente íons de lítio. Então, trabalhando com Kee Sung Han e Karl Mueller no Laboratório de Ciências Moleculares Ambientais, uma instalação de usuário DOE no Pacific Northwest National Laboratory, Baran e Helms revelados, usando técnicas avançadas de ressonância magnética nuclear, como os íons de lítio fluem dentro da membrana do polímero em comparação com outros íons na bateria.

"O que descobrimos foi surpreendente. Não só as gaiolas de solvatação aumentam a concentração de íons de lítio na membrana, mas os íons de lítio na membrana se difundem mais rápido do que seus contra ânions, "disse Baran, referindo-se às partículas carregadas negativamente que estão associadas ao sal de lítio quando ele entra na membrana. A solvatação dos íons de lítio nas gaiolas ajudou a formar uma camada que bloqueou o fluxo desses ânions.

Para entender melhor as razões moleculares para o comportamento da nova membrana, os pesquisadores colaboraram com Artem Baskin, um pesquisador de pós-doutorado que trabalha com David Prendergast, outro investigador no JCESR. Eles realizaram cálculos, usando recursos de computação no Centro Nacional de Computação Científica de Pesquisa Energética (NERSC) do Berkeley Lab, para determinar a natureza precisa do efeito de solvatação que ocorre quando os íons de lítio se associam às gaiolas nos poros da membrana. Esse efeito de solvatação faz com que os íons de lítio se concentrem mais na nova membrana do que nas membranas padrão sem gaiolas de solvatação.

Finalmente, os pesquisadores investigaram como a membrana funcionava em uma bateria real, e determinou a facilidade com que os íons de lítio são acomodados ou liberados em um eletrodo de metal de lítio durante a carga e descarga da bateria. Usando ferramentas de raio-X na fonte de luz avançada do Berkeley Lab, eles observaram o fluxo de lítio através de uma célula de bateria modificada cujos eletrodos foram separados pela nova membrana. As imagens de raios-X mostraram que, em contraste com as baterias que usavam membranas padrão, o lítio foi depositado de maneira suave e uniforme no eletrodo, indicando que a bateria carregou e descarregou de forma rápida e eficiente, graças às gaiolas de solvatação na membrana.

Com sua abordagem voltada para a diversidade para a triagem de possíveis membranas, os pesquisadores alcançaram o objetivo de criar um material que ajuda a transportar íons rapidamente sem sacrificar a seletividade. Partes do trabalho - incluindo análise de componentes, sorção de gás, e medições de espalhamento de raios-X - também foram apoiadas pelo Center for Gas Separations Relevant to Clean Energy Technologies, um DOE Energy Frontier Research Center liderado pela UC Berkeley.

O trabalho futuro da equipe do Berkeley Lab irá expandir a biblioteca de membranas e examiná-la para propriedades de transporte aprimoradas para outros íons e moléculas de interesse em tecnologias de energia limpa. "Também vemos oportunidades empolgantes de combinar a síntese orientada para a diversidade com fluxos de trabalho digitais para descoberta acelerada de membranas avançadas por meio de experimentação autônoma, "disse Helms.