Las membranas que permiten que ciertas moléculas pasen rápidamente mientras bloquean otras son facilitadores clave para las tecnologías energéticas, desde baterías y pilas de combustible hasta el refinamiento de los recursos y la purificación del agua.
Por ejemplo, las membranas de una batería que separa los dos terminales ayudan a evitar cortocircuitos, al tiempo que permiten el transporte de partículas cargadas o iones necesarios para mantener el flujo de electricidad.
Las membranas más selectivas sufren de baja permeabilidad para el ion de trabajo en la batería, lo que limita la potencia y la eficiencia energética de la batería.
Por ello, para superar las compensaciones entre la selectividad y la permeabilidad de la membrana, los investigadores están desarrollando formas de aumentar la solubilidad y la movilidad de los iones dentro de la membrana, lo que permite que un mayor número de ellos transiten a través de la membrana más rápidamente, lo que podría mejorar el rendimiento de las baterías y otras tecnologías energéticas.
Ahora, los investigadores han diseñado una membrana polimérica con jaulas moleculares integradas en sus poros que retienen iones cargados positivamente de una sal de litio. Estas jaulas, llamadas "jaulas de solvatación", comprenden moléculas que juntas actúan como un disolvente que rodea cada ion de litio, al igual que las moléculas de agua rodean cada ion de sodio cargado positivamente en el proceso familiar de disolución de la sal de mesa en agua líquida.
La membrana polimérica con jaulas moleculares integradas en sus poros retiene iones cargados positivamente de una sal de litio
El equipo descubrió que las jaulas de solvatación aumentaban el flujo de iones de litio a través de la membrana en un orden de magnitud en comparación con las membranas estándar. La membrana podría permitir que las celdas de batería de alto voltaje funcionen a mayor potencia y de manera más eficiente.
"Si bien ha sido posible configurar los poros de una membrana a escalas de longitud muy pequeñas, hasta ahora no ha sido posible diseñar sitios para unir iones o moléculas específicas de mezclas complejas y permitir su difusión en la membrana tanto selectivamente como a un alto ritmo", explican los investigadores.
DESCUBRIMIENTO DE FÁRMACOS
Para identificar un diseño para una jaula en una membrana que solvataría iones de litio, los investigadores buscaron un proceso de descubrimiento de fármacos ampliamente practicado. En el descubrimiento de fármacos es común construir y examinar grandes bibliotecas de moléculas pequeñas con diversas estructuras para identificar una que se une a una molécula biológica de interés.
Invirtiendo ese enfoque, el equipo planteó la hipótesis de que mediante la construcción y el cribado de grandes bibliotecas de membranas con diversas estructuras de poros, sería posible identificar una jaula para contener temporalmente iones de litio. Conceptualmente, las jaulas de solvatación en las membranas son análogas al sitio de unión biológica dirigido por los fármacos de moléculas pequeñas.
El equipo de Helms ideó una estrategia simple pero efectiva para introducir la diversidad funcional y estructural a través de múltiples escalas de longitud en las membranas poliméricas. Estas estrategias incluyeron diseños para jaulas con diferentes resistencias de solvatación para iones de litio, así como arreglos de jaulas en una red interconectada de poros.
"Lo que encontramos fue sorprendente. No solo las jaulas de solvatación aumentan la concentración de iones de litio en la membrana, sino que los iones de litio en la membrana se difunden más rápido que sus aniones contrarios", han detallado, refiriéndose a las partículas cargadas negativamente que están asociadas con la sal de litio cuando entra en la membrana. La solvatación de iones de litio en las jaulas ayudó a formar una capa que bloqueaba el flujo de esos aniones.
Finalmente, los investigadores investigaron cómo se desempeñaba la membrana en una batería real y determinaron la facilidad con la que los iones de litio se acomodan o liberan en un electrodo de metal de litio durante la carga y descarga de la batería. Usando herramientas de rayos X, observaron el flujo de litio a través de una celda de batería modificada cuyos electrodos estaban separados por la nueva membrana.
Las imágenes de rayos X mostraron que, a diferencia de las baterías que utilizaban membranas estándar, el litio se depositaba de manera suave y uniforme en el electrodo, lo que indica que la batería se cargaba y descargaba rápida y eficientemente gracias a las jaulas de solvatación en la membrana.