新型膜技术提高了水的净化和电池的储能

氧化还原流量电池

一种可用于电网储能的氧化还原液流电池。资料来源:伦敦帝国理工学院的宋其磊

伦敦帝国理工学院的科学家们发明了一种新型膜,可以改善水的净化和电池能量的储存。

离子交换膜设计的新方法是发表2019年12月2日,在自然材料该公司使用低成本的塑料薄膜,薄膜上有许多微小的亲水(“吸水”)孔。它们是在现有技术的基础上改进的,而现有技术既昂贵又难以实际应用。

“我们的设计为各种用途的新一代膜欢呼——既改善生活,又促进存储可再生能源,如太阳能和风能,这将有助于对抗气候变化。”——宋其磊博士

目前的离子交换膜,称为Nafion,用于净化水和存储可再生能源输出的燃料电池和电池。然而,Nafion膜的离子传输通道不是很明确,而且膜非常昂贵。

相比之下,低成本的聚合物膜被广泛应用于膜工业的各种场合,从去除水中的盐和污染物,到天然气净化,但这些膜通常导电或选择性不够离子传输。

现在,由Imperial的Qilei歌曲和Edinburgh大学尼尔麦克奈教授领导的多机构团队开发了一种新的离子运输膜技术,可以降低电池中的能量和净化水的成本。

他们基于一种微孔聚合物(称为固有微孔聚合物(PIMs))开发了这种新型膜,并与帝国理工学院的Kim Jelfs博士合作,通过计算机模拟改变了它们的组成部分,使其具有不同的属性。

Fusilli Backbones.

他们的发明可以促进可再生能源的使用和储存,并提高发展中国家清洁饮用水的可用性。

帝国理工学院化学工程系的宋博士是该研究的主要作者,他说:“我们的设计为新一代膜提供了多种用途——既可以改善人们的生活,也可以促进太阳能和风能等可再生能源的储存,这将有助于应对气候变化。”

微孔离子筛分膜

具有有序通道的微孔离子筛分膜允许远离离子的快速和选择性。资料来源:伦敦帝国理工学院的宋其磊

聚合物由刚性和扭曲的骨干板制成,如fusilli面食。它们含有称为“微孔”的微小孔,其提供刚性,有序通道,通过该通道通过该通道,分子和离子基于其物理尺寸选择性地行驶。

这些聚合物还可溶于普通溶剂,因此它们可以被浇铸成超薄薄膜,从而进一步加速离子传输。这些因素意味着这种新型膜可以广泛应用于需要快速和选择性离子传输的分离过程和电化学设备。

过滤水

为了使PIMS更加友好,该团队成立了吸水功能组,称为Tröger的基础和偕胺肟群,以允许小盐离子通过,同时保持大离子和有机分子。

该团队证明,他们的膜在过滤水中的小盐离子,以及在去除城市水处理中的有机分子和有机微污染物时具有高度选择性。宋博士说:“这种膜可以用于水纳滤系统,并在发展中国家大规模生产,以提供饮用水。”

膜从水中取出有机分子

膜从水中去除有机分子。资料来源:伦敦帝国理工学院的宋其磊

它们还具有足够的特异性,可以从盐水中的镁中过滤出锂离子——这项技术可以减少对昂贵的锂矿的需求,而锂矿是锂离子电池的主要来源。

宋博士说:“也许现在我们可以从海水或盐水水库获得可持续的锂,而不是在地面上采矿,这将更昂贵,更环保,帮助开发电动汽车和大规模可再生能源储存。“

提高电池

电池将风能和太阳能等可再生资源产生的能量储存并转换,然后送入电网为家庭供电。当可再生能源电量不足时,比如太阳能电池板在夜间无法收集能量时,电网可以利用这些电池。

流量电池适用于这种大型长期存储,但目前的商用流动电池使用昂贵的钒盐,硫酸和Nafion离子交换膜,这是昂贵的,限制了流动电池的大规模应用。

一个典型的液流电池由两个电解质溶液罐组成,这些溶液被泵送过两个电极之间的膜。膜分离器允许带电荷的离子在储罐之间运输,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。

含有互连离子通道的微孔聚合物

含有互连离子通道的微孔聚合物。资料来源:伦敦帝国理工学院的宋其磊

利用他们的新一代pim,研究人员设计了更便宜、更容易处理的膜,具有明确的孔洞,可以让特定的离子通过并阻止其他离子进入。他们演示了他们的膜在有机氧化还原流电池中的应用,使用低成本的有机氧化还原活性物质,如醌和亚铁氰化钾。

它们的PIM膜对铁圆环氰化物阴离子的分子选择性较高,因此电池中的氧化还原物种的低“交叉”,这可能导致电池的寿命更长。

CO-First作者Rui Tan,博士。化学工程系研究员表示:“我们正在研究各种电池化学物质,可以通过新一代离子运输膜来改善,从固态锂离子电池到低成本的流量电池。“

下一步是什么?

这些离子选择性膜的设计原理足够通用,它们可以扩展到工业分离过程的膜,用于将后代的电池的分离器如钠和钾离子电池,以及许多用于能量转换和储存的电化学装置,包括燃料细胞和电化学反应器。

合作第一作者王安琪,也是化学工程系的博士研究员,他说:“这些新型离子选择性膜的快速离子传输和选择性的结合使它们在广泛的工业应用中具有吸引力。”

接下来,研究人员将扩大这种膜的规模,制成过滤膜。他们还将与工业界合作,研究产品的商业化,并与RFC power合作。RFC power是一家由帝国理工学院的合著者奈杰尔·布兰登教授创立的流动电池公司。

This paper is a result of multi-institutional work with the University of Edinburgh (Professor Neil McKeown), with simulation and testing carried out by teams at Imperial’s Department of Chemistry (Dr Kim Jelfs), the University of Liverpool (Professor Andrew Cooper), and the University of Cambridge (Professor Clare Grey).

这项工作得到了工程和物理科学研究委员会(EPSRC)、欧洲研究委员会、EPSRC综合能源系统先进材料中心(CAM-IES)、英国能源存储中心和CAM-IES中心、Leverhulme信托基金、皇家学会和分子科学与工程研究所(IMSE, Imperial)的资助。

参考文献:“亲水性微孔膜进行选择性离子分离和流量 - 电池储存”,锐兰,王王,理查德Malpass-evans,Evan Wenbo Zhao,Tau Liu,Chunchun Ye,Xiaoqun Zhou,Barbara Primera Darwich,Zhiyu Fan,Lukas龟甘岛,临华杰克逊,林江陈,萨曼莎Y.冲,陶丽,金E。·埃德尔,安德鲁I. Cooper,Nigel P. Brandon,Clare P. Green,Neil B. McKeown和Qilei Song,2019年12月2日,自然材料
DOI:10.1038 / S41563-019-0536-8

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