當(dāng)前的離子交換膜用于凈化水并將可再生能源輸出存儲(chǔ)在燃料電池和電池中。但是，這種膜非常昂貴。相比之下，低成本聚合物膜已在薄膜行業(yè)中廣泛使用，從去除水中的鹽和污染物到天然氣凈化都在使用，但是這些膜通常對(duì)離子傳輸?shù)膶?dǎo)電性或選擇性不足。
現(xiàn)在，愛丁堡大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新的離子傳輸膜技術(shù)，該技術(shù)可以降低電池中儲(chǔ)能和凈化水的成本。他們使用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)開發(fā)新的膜，以構(gòu)建一類稱為內(nèi)在微孔性(PIM)的微孔聚合物，并改變其結(jié)構(gòu)構(gòu)件以實(shí)現(xiàn)不同的性能。他們的發(fā)明可以促進(jìn)可再生能源的使用和存儲(chǔ)，并增加發(fā)展中國家清潔飲用水的供應(yīng)。
參與這項(xiàng)研究的還有多位中國學(xué)者：譚瑞(Rui Tan)、王安琪(Anqi Wang)、趙文博(Wenbo Zhao)、劉濤(Tao Liu)、葉春春(Chunchun Ye)、周小群(Xiaoqun Zhou)、范志宇(Zhiyu Fan)、陳林江(Linjiang Chen)、李濤(Tao Li)、宋啟磊(Qilei Song)博士等。
研究人員表示：“我們的設(shè)計(jì)開拓了用于多種用途的新一代膜，既改善生活水平，又促進(jìn)太陽能和風(fēng)能等可再生能源的存儲(chǔ)，這將有助于改善氣候變化。”
這種聚合物由具剛性和扭曲性的主鏈制成，其中包含極為微小的“微孔”，這些微孔提供了剛性與有序的通道，分子和離子可根據(jù)其物理大小選擇性地通過這些通道。
聚合物也可溶于普通溶劑，因此可將其澆鑄成超薄膜，從而進(jìn)一步加快離子傳輸速度。這意味著新膜可用于需要快速和選擇性離子遷移的廣泛分離過程和電化學(xué)設(shè)備中。
為了使內(nèi)在微孔性更加具有親水性，研究人員引入了一種吸水官能團(tuán)以允許小鹽離子通過，同時(shí)保留大離子和有機(jī)分子。
該研究證明，當(dāng)從水中過濾出小的鹽離子，以及去除有機(jī)分子和有機(jī)微污染物用于市政水處理時(shí)，這樣的膜具有很高的選擇性。這種膜可用于水的納濾系統(tǒng)中，并可大規(guī)模生產(chǎn)，以為發(fā)展中國家提供飲用水。
它們還具有足夠的特異性，可以從鹽水中的鎂中濾出鋰離子，這種技術(shù)可以減少對(duì)昂貴的開采鋰的需求，而鋰是鋰離子電池的主要來源。
研究人員認(rèn)為：“也許現(xiàn)在我們可以從海水或鹽水庫中獲取可持續(xù)的鋰，而不是在地下開采，這將更便宜、更環(huán)保，并有助于電動(dòng)汽車和大規(guī)?？稍偕茉吹陌l(fā)展。 ”
電池存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換由風(fēng)能和太陽能等可再生資源產(chǎn)生的能量，然后再將其饋入電網(wǎng)并為房屋供電。當(dāng)可再生能源的電量不足時(shí)，例如晚上太陽能電池板不收集能量時(shí)，電網(wǎng)可以接入這些電池。
液流電池適合于這樣的大規(guī)模長(zhǎng)期存儲(chǔ)，但是當(dāng)前的市售液流電池使用昂貴的釩鹽、硫酸和離子交換膜，昂貴而限制了液流電池的大規(guī)模應(yīng)用。
典型的液流電池由兩個(gè)電解液罐組成，這些電解液被泵送通過固定在兩個(gè)電極之間的薄膜。膜分離器允許攜帶電荷的離子在槽之間傳輸，同時(shí)防止兩種電解質(zhì)的交叉混合。材料的交叉混合會(huì)導(dǎo)致電池性能下降。
利用這樣的新一代內(nèi)在微孔性技術(shù)，研究人員設(shè)計(jì)了價(jià)格便宜、易于加工的膜，該膜具有清晰的孔，可讓特定的離子通過并阻止其他離子進(jìn)入。研究人員展示了該膜在使用低成本有機(jī)氧化還原活性物質(zhì)(例如醌和亞鐵氰化鉀)的有機(jī)氧化還原液流電池中的應(yīng)用。這樣的內(nèi)在微孔性膜對(duì)亞鐵氰化物陰離子具有更高的分子選擇性，因此電池中氧化還原物質(zhì)的“交叉”率低，從而電池壽命更長(zhǎng)。
論文第一作者、化學(xué)工程系的研究人員、譚瑞博士說：“我們正在研究廣泛的電池化學(xué)特性，這些特性可以用我們的新一代離子傳輸膜來改善，從固態(tài)鋰離子電池到低成本液流電池。 ”
這些離子選擇性膜的設(shè)計(jì)原理足夠通用，可以擴(kuò)展到工業(yè)分離過程的膜、下一代電池的隔膜(例如鈉和鉀離子電池)以及許多其他用于能量轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)(包括燃料)的電化學(xué)裝置電池和電化學(xué)反應(yīng)器。
論文共同第一作者、化學(xué)工程學(xué)系的研究人員、王安琪博士說：“這些新型離子選擇膜的快速離子遷移和選擇性的結(jié)合，使它們對(duì)廣泛的工業(yè)應(yīng)用具有吸引力。”
接下來，研究人員將按比例放大這種類型的膜以制造過濾膜。他們還將與工業(yè)界合作，將其產(chǎn)品商業(yè)化，并與電力公司合作創(chuàng)立分拆式流動(dòng)電池公司。
