新膜技术改善了水的净化和电池的能量存储

可以放大以用于电网规模的能量存储的氧化还原液流电池。

离子交换膜设计的新方法于2019年12月2日在《自然材料》上发表，使用了低成本塑料膜，该膜具有许多微小的亲水性（``吸水''）孔。它们在较昂贵且难以实际应用的当前技术上进行了改进。

“我们的设计采用了多种用途的新一代膜-不仅改善了生活水平，而且促进了可再生能源（例如太阳能和风能）的存储，这将有助于应对气候变化。”—宋启磊博士

当前的离子交换膜，称为Nafion，用于净化水并将可再生能源输出存储在燃料电池和电池中。但是，Nafion膜中的离子传输通道尚未明确定义，并且膜非常昂贵。

相比之下，低成本聚合物膜已在膜行业中广泛使用，从水中的盐分和污染物去除到天然气净化，但这些膜通常导电性或选择性不足，无法进行离子迁移。

现在，由爱丁堡大学的Imperial的Qilei Song博士和Neil McKeown教授领导的多机构团队开发了一种新的离子传输膜技术，该技术可以降低电池中存储能量和净化水的成本。

他们开发了基于一类微孔聚合物（称为固有微孔聚合物（PIM））的新型膜，并与Imperial的Kim Jelfs博士合作，通过计算机模拟改变了它们的结构单元，以改变其特性。

Fusilli骨干

他们的发明可以促进可再生能源的使用和储存，并增加发展中国家清洁饮用水的供应。

帝国大学化学工程系的主要作者宋博士说：“我们的设计采用了多种用途的新一代膜-不仅改善了生活水平，而且促进了可再生能源（例如太阳能和风能）的存储，这将有助于应对气候变化。”

具有有序通道的微孔离子筛膜可实现离子的快速和选择性运输。

聚合物由刚性和扭曲的主链（如意大利面食）制成。它们包含称为“微孔”的微小孔，这些孔提供了刚性，有序的通道，分子和离子根据其物理大小选择性地通过这些通道行进。

聚合物也可溶于普通溶剂，因此可以将其浇铸成超薄薄膜，从而进一步加快离子传输速度。这些因素意味着新膜可用于需要快速和选择性离子迁移的广泛分离过程和电化学设备中。

过滤水

为了使PIM更加水友好，该团队引入了吸水官能团（称为Tröger的碱基和a胺肟基），以允许小盐离子通过，同时保留大离子和有机分子。

该团队证明，当从水中过滤出小的盐离子以及去除有机分子和有机微污染物用于市政水处理时，它们的膜具有很高的选择性。宋博士说：“此类膜可用于水纳米过滤系统中，并可大规模生产，以为发展中国家提供饮用水。”

膜可从水中去除有机分子。

它们还具有足够的特异性，可以从盐水中的镁中滤出锂离子，这种技术可以减少对昂贵的开采锂的需求，而锂是锂离子电池的主要来源。

宋医生说：“也许现在我们可以从海水或盐水储层中获取可持续的锂，而不是在地下开采，这将更便宜，更环保，并有助于电动汽车和大规模可再生能源的发展。”

改善电池

电池存储和转换由风能和太阳能等可再生资源产生的能量，然后再将其馈入电网并为房屋供电。当可再生能源的电量不足时，例如晚上太阳能电池板不收集能量时，电网可以接入这些电池。

液流电池适合于这样的大规模长期存储，但是当前的商业液流电池使用昂贵的钒盐，硫酸和Nafion离子交换膜，它们昂贵并且限制了液流电池的大规模应用。

典型的液流电池由两个电解液罐组成，这些电解液被泵送通过固定在两个电极之间的膜。膜分离器允许携带电荷的离子在槽之间传输，同时防止两种电解质的交叉混合。材料的交叉混合会导致电池性能下降。

包含相互连接的离子通道的微孔聚合物。

利用他们的新一代PIM，研究人员设计了价格便宜，易于加工的膜，该膜具有清晰的孔，可让特定的离子通过并阻止其他离子进入。他们展示了其膜在使用低成本有机氧化还原活性物质（例如醌和亚铁氰化钾）的有机氧化还原液流电池中的应用。

他们的PIM膜对亚铁氰化物阴离子具有更高的分子选择性，因此电池中氧化还原物质的“交叉”率低，这可能导致电池寿命更长。

联合第一作者谭瑞（Rui Tan），博士学位。化学工程系研究员说：“我们正在研究广泛的电池化学特性，这些特性可以通过我们的新一代离子传输膜来改善，从固态锂离子电池到低成本液流电池。”

下一步是什么？

这些离子选择性膜的设计原理足够通用，可以扩展到工业分离过程的膜，下一代电池的隔膜（如钠和钾离子电池）以及许多其他用于能量转换和存储（包括燃料）的电化学装置电池和电化学反应器。

共同第一作者王安琪，也是博士。化学工程系研究员说：“这些新型离子选择性膜的快速离子迁移和选择性的结合，使它们对广泛的工业应用具有吸引力。”

接下来，研究人员将按比例放大这种类型的膜以制造过滤膜。他们还将与工业界合作，将其产品商业化，并与RFC power合作，RFC power是由帝国合著者Nigel Brandon教授创立的分拆式流动电池公司。

本文是与爱丁堡大学（尼尔·麦基恩教授）进行多机构合作的结果，并由帝国化学系（金·杰尔夫斯博士），利物浦大学（安德鲁·库珀教授）的团队进行了模拟和测试，和剑桥大学（克莱尔·格雷教授）。

这项工作由工程和物理科学研究委员会（EPSRC），欧洲研究委员会，EPSRC集成能源系统先进材料中心（CAM-IES）以及英国储能中心和CAM-IES中心，勒沃胡姆基金会（Leverhulme Trust），皇家学会和分子科学与工程研究所（帝国理工学院，帝国理工学院）。

参考：“用于选择性离子分离和流动电池能量存储的亲水性微孔膜”，作者：谭锐，王安琪，理查德·马尔帕斯·埃文斯，赵文博，刘涛，叶春春，周小群，芭芭拉·普里姆拉·达里奇，范志宇，卢卡斯·图尔卡尼，爱德华·杰克逊，陈林江，萨曼莎·Y·钟，李涛，金·杰夫斯，安德鲁·库珀，奈杰尔·布兰登，克莱尔·格雷，尼尔·麦基恩和宋启磊，2019年12月2日，自然材料.DOI ：
10.1038 / s41563-019-0536-8