蓋世汽車訊 就電池和燃料電池能量技術而言，允許某些分子快速通過并阻止其他分子通過的膜對于提煉和水凈化非常重要。例如，將電池兩端分開的膜可防止短路，同時也可以傳輸帶電粒子或離子，保持電流流動。

對穿透物具有特別標準的選擇性膜（selective membranes）會對電池中的工作離子的滲透率很低，從而降低電池功率和能效。為避免在選擇性和滲透性之間取舍，研究人員正在開發能夠增加膜內離子的溶解度和遷移率的方法，從而使更多離子更快速地通過膜，進而提高電池性能并改善其他能源技術。

最近，研究人員設計出一種聚合物膜，并在其孔隙中內置鋰鹽中帶正電離子的分子籠。這些分子籠被稱為“溶劑籠”，由分子組成，可作為每個鋰離子周圍的溶劑，就像食鹽溶解于液態水時，水分子圍繞著每個帶正電的鈉離子一樣。由美國能源部（DOE）勞倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）的研究人員領導的研究小組發現，與標準膜相比，溶劑籠可使鋰離子通過膜的流量增加一個數量級。此外，它還可以使高壓電池電芯具備更高的功率和效率，這對于電動車輛和飛機非常重要。

（圖片來源：Berkeley Lab）

項目負責人、Berkeley Lab分子工廠（Molecular Foundry）科學家Brett Helms表示：“雖然一直可以在較短尺度上配置膜的孔，但直到現在才可以設計出能從復雜混合物中結合特定離子和分子的位點，從而使這些離子和分子以高速率選擇性地擴散到膜中。”

為精確可以溶解鋰離子的膜中籠的設計，Helms及其團隊研究了一種廣泛應用的藥物開發過程。在該過程中，研究人員通常會建立和篩選具有不同結構的大量小分子庫，從而明確與目標生物分子結合的分子。與此方法相反，該小組假設，通過構建和篩選具有不同孔結構的大型膜庫，他們可以識別出能暫時容納鋰離子的籠子。從概念上講，膜中的溶劑籠類似于小分子藥物靶向的生物結合位點。

Helms的團隊設計出一種簡單而有效的策略，可針對不同長度的不同聚合物膜提供功能和結構多樣性。這些策略包括設計具有不同鋰離子溶劑強度的籠子，以及將籠子布置在相互連接的孔網中。Helms表示：“在此之前還沒有人采取多樣性導向的方法來設計多孔膜。”

利用這些策略，Helms研究小組的研究員Miranda Baran博士在Molecular Foundry系統地準備了一個大型潛在膜庫。Miranda Baran及其合著者對每個膜進行了篩選，確定那些擁有特定形狀和結構且孔最適合選擇性捕獲和運輸鋰離子的膜為最合適的膜。隨后，Baran又與太平洋西北國家實驗室的DOE用戶設施環境分子科學實驗室的Kee Sung Han和Karl Mueller合作，采用先進核磁共振技術，揭示電池聚合物膜中鋰離子的流動情況。

當談及負帶電離子在進入膜與鋰鹽結合時，Baran表示：“結果令人震驚。溶劑籠不僅增加了膜中鋰離子的濃度，而且鋰離子擴散速度也比其抗衡陰離子快。”籠中鋰離子的溶劑有助于形成阻止陰離子流動的膜。

為進一步了解新膜形成的分子原因，研究人員與博士后Artem Baskin合作，利用Berkeley Lab國家能源研究科學計算中心（NERSC）的計算資源進行計算，確定當鋰離子與膜孔中的籠子結合時形成的溶劑化作用的精確性質。與沒有溶劑籠的標準膜相比，這種溶劑化作用使鋰離子在新膜中的濃度更高。

最后，研究人員研究了該膜在實際電池中的性能，并確定在電池充放電過程中，鋰金屬電極上的鋰離子容納或釋放的難易程度。他們使用Berkeley Lab高級光源（Advanced Light Source）的X射線工具觀察到鋰離子在改進電池中的流動過程，其中，該電池電極被新膜隔開。X射線圖像顯示，與使用標準膜的電池相比，鋰離子在電極上平滑且均勻地沉積。結果表明若膜中存在溶劑籠，電池充放電可以更加快速有效。

通過以多樣性為導向的方法篩選潛在膜，研究人員創建出一種新材料，可在不犧牲選擇性的情況下快速運輸離子。加州大學伯克利分校領導的DOE能源前沿研究中心（Energy Frontier Research Center）清潔能源技術相關氣體分離中心也支持了此項研究的部分工作，包括成分分析、氣體吸收和X射線散射測量。

Berkeley Lab團隊未來將擴展膜庫并對其進行篩選，提高清潔能源技術中其他離子和可能分子的傳輸性能。Helms表示：“我們還看到了以多樣性為導向的合成和數字留結合的可能性，通過自主試驗加快先進膜的開發。”

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