Ученые создали эффективные полимерные мембраны для батарей
Подход, который ученые используют для поиска новых лекарств, помог исследователям разработать селективные мембраны с высокой проницаемостью ионов лития
Селективные мембраны, которые пропускают через себя одни ионы, задерживая другие, являются ключевыми элементами во многих системах. В частности, такие мембраны используются в аккумуляторах для переноса ионов от одного электрода к другому во время заряда и разряда. Чем выше селективность мембраны, тем меньше концентрация «нецелевых» ионов, которые она пропускает. Но с ростом этого показателя у материала понижается проницаемость целевых ионов, что ограничивает мощность и энергоэффективность батареи.
В новой работе ученые представили полимерную мембрану, поры которой представляют собой молекулярные ловушки, которые удерживают положительно заряженные ионы лития. Эти ловушки состоят из молекул, которые действуют как растворитель: они удерживают ионы лития, как бы растворяя их в себе. Исследователи показали, что такие структуры могут увеличить поток ионов лития через мембрану на порядок по сравнению с используемыми сегодня материалами.
Мембрана может позволить высоковольтным аккумуляторным элементам заряжаться при более высоких напряжениях и работать более эффективно. Это, в свою очередь, сможет увеличить удобство использования электромобилей и самолетов на электротяге. Чтобы точно определить конструкцию ловушки в мембране, которая сольватировала бы ионы лития, исследователи взяли за основу широко используемый процесс изучения лекарств.
Для создания лекарств специалисты обычно применяют большие библиотеки данных, в которых хранится информация о свойствах небольших молекул с различными структурами. Ученые стараются найти молекулу с целевыми свойствами, чтобы синтезировать на ее основе более совершенный препарат. Авторы новой работы выдвинули гипотезу, что, создавая и анализируя большие библиотеки мембран с различными поровыми структурами, можно было бы найти ту структуру, которая позволила бы удерживать ионы лития. Используя этот подход, ученые смогли найти мембрану с такой формой ловушек, которая наиболее эффективно удерживала катионы металла.
Исследование опубликовано в журнале Nature.