新膜技術改善水淨化和電池儲能

新膜技術改善水淨化和電池儲能
可以放大以用於電網規模儲能的氧化還原液流電池。圖片來源:宋琪蕾,倫敦帝國理工學院

倫敦帝國理工學院的科學家創造了一種新型的膜,可以改善水的淨化和電池能量存儲的工作。

離子交換膜設計的新方法於2019年12月2日在《自然材料》(Nature Materials)上發表,該方法使用了具有許多微小親水(吸引水)孔的低成本塑料膜。它們在較昂貴且難以實際應用的當前技術上進行了改進。

“我們的設計採用了多種用途的新一代膜-改善了生活並促進了可再生能源的存儲,例如太陽能和風能,這將有助於應對氣候變化。” —宋啓磊博士

當前的離子交換膜,稱為Nafion,用於淨化水並將可再生能源輸出存儲在燃料電池和電池中。但是,Nafion膜中的離子傳輸通道尚未明確定義,並且膜非常昂貴。

相比之下,低成本聚合物膜已在膜行業中廣泛使用,從水中的鹽分和污染物去除到天然氣淨化,但這些膜通常不導電或選擇性低,無法進行離子遷移。

現在,由愛丁堡大學的Imperial博士Qilei Song博士和Neil McKeown教授領導的多機構團隊開發了一種新的離子傳輸膜技術,該技術可以降低電池中存儲能量和淨化水的成本。

他們開發了基於一類微孔聚合物(稱為固有微孔聚合物(PIM))的新型膜,並與Imperial的Kim Jelfs博士合作,通過計算機模擬改變了其結構單元,以改變其特性。

Fusilli骨幹

他們的發明可以促進可再生能源的使用和存儲,並增加發展中國家清潔飲用水的供應。

帝國理工大學化學工程系的主要作者宋博士説:“我們的設計採用了多種用途的新一代膜-不僅改善了生活,還促進了太陽能和風能等可再生能源的儲存,這將有助於打擊氣候變化。”

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具有有序通道的微孔離子篩膜可實現離子的快速和選擇性運輸。圖片來源:宋琪蕾,倫敦帝國理工學院

聚合物由剛性和扭曲的主鏈(如意大利麪食)製成。它們包含稱為“微孔”的微小孔,這些孔提供了剛性,有序的通道,分子和離子可根據其物理大小選擇性地通過這些通道。

聚合物也可溶於普通溶劑,因此可以將其澆鑄成超薄膜,從而進一步加快離子傳輸速度。這些因素意味着新膜可用於需要快速和選擇性離子遷移的廣泛分離過程和電化學裝置中。

過濾水

為了使PIM更加水友好,該團隊引入了吸水官能團(稱為Tröger的鹼基和a胺肟基),以允許小鹽離子通過,同時保留大離子和有機分子。

該團隊證明,當從水中過濾出小的鹽離子,以及去除有機分子和有機微污染物用於市政水處理時,它們的膜具有很高的選擇性。宋博士説:“此類膜可用於水納米過濾系統中,並可大規模生產,以為發展中國家提供飲用水。”

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膜從水中去除有機分子。圖片來源:宋琪蕾,倫敦帝國理工學院

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,這種技術可以減少對昂貴的開採鋰的需求,而鋰是鋰離子電池的主要來源。

宋博士説:“也許現在我們可以從海水或鹽水庫中獲取可持續的鋰,而不是在地下開採,這將更便宜,更環保,並有助於電動汽車和大規模可再生能源的發展。 ”

改善電池

電池存儲和轉換由風能和太陽能等可再生資源產生的能量,然後再將其饋入電網併為房屋供電。當可再生能源的電量不足時,例如晚上太陽能電池板不收集能量時,電網可以接入這些電池。

液流電池是適合於這種大規模的長期儲存,但目前的商業液流電池使用昂貴的釩鹽,硫酸酸,和Nafion離子交換膜,這是昂貴的,並限制液流電池的大規模應用。

典型的液流電池由兩個電解液罐組成,這些電解液被泵送通過固定在兩個電極之間的膜。膜分離器允許攜帶電荷的離子在槽之間傳輸,同時防止兩種電解質的交叉混合。材料的交叉混合會導致電池性能下降。

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包含相互連接的離子通道的微孔聚合物。圖片來源:宋琪蕾,倫敦帝國理工學院

研究人員使用他們的新一代PIM設計了價格便宜,易於加工的膜,該膜具有清晰的孔,可讓特定的離子通過並阻止其他離子進入。他們展示了其膜在有機氧化還原液流電池中的應用,這些電池使用了低成本的有機氧化還原活性物質,例如醌和亞鐵氰化鉀。

它們的PIM膜對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的“交叉”率較低,這可能導致電池壽命更長。

聯合第一作者譚瑞博士 化學工程系的研究人員説:“我們正在研究廣泛的電池化學特性,這些特性可以通過我們的新一代離子傳輸膜來改善,從固態鋰離子電池到低成本液流電池。 ”

下一步是什麼?

這些離子選擇性膜的設計原理足夠通用,可以擴展到工業分離過程的膜,下一代電池的隔膜(例如鈉和鉀離子電池)以及許多其他用於能量轉換和存儲(包括燃料)的電化學裝置電池和電化學反應器。

共同第一作者王安琪,也是博士。化學工程系的研究員説:“這些新型離子選擇膜的快速離子遷移和選擇性的結合,使它們對廣泛的工業應用具有吸引力。”

接下來,研究人員將按比例放大這種類型的膜以製造過濾膜。他們還將與工業界合作,將其產品商業化,並與RFC power合作,RFC power是由帝國合著者Nigel Brandon教授創立的分拆式流動電池公司。

本文是與愛丁堡大學(尼爾·麥基恩教授)進行多機構合作的結果,並由帝國化學系(金·傑爾夫斯博士),利物浦大學(安德魯·庫珀教授)的團隊進行了模擬和測試,和劍橋大學(克萊爾·格雷教授)。

這項工作由工程和物理科學研究委員會(EPSRC),歐洲研究理事會,EPSRC集成能源系統先進材料中心(CAM-IES)以及英國儲能中心和CAM-IES中心,勒沃胡姆信託基金,皇家學會和分子科學與工程研究所(IMSE,Imperial)。

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