Les scientifiques de l'Imperial College de Londres ont créé un nouveau type de membrane qui pourrait améliorer les efforts de purification de l'eau et de stockage d'énergie des batteries.

La nouvelle approche de la conception des membranes échangeuses d'ions, qui est publié aujourd'hui dans Matériaux naturels , utilise des membranes en plastique à faible coût avec de nombreux minuscules pores hydrophiles (« attirant l'eau »). Ils améliorent la technologie actuelle qui est plus coûteuse et difficile à appliquer dans la pratique.

Membranes échangeuses d'ions actuelles, connu sous le nom de Nafion, sont utilisés pour purifier l'eau et stocker la production d'énergie renouvelable dans des piles à combustible et des batteries. Cependant, les canaux de transport d'ions dans les membranes Nafion ne sont pas bien définis et les membranes sont très chères.

En revanche, les membranes polymères à faible coût ont été largement utilisées dans l'industrie des membranes dans divers contextes, de l'élimination du sel et des polluants de l'eau, à la purification du gaz naturel, mais ces membranes ne sont généralement pas suffisamment conductrices ou sélectives pour le transport des ions.

Maintenant, une équipe multi-institutionnelle dirigée par le Dr Qilei Song de l'Impériale et le professeur Neil McKeown de l'Université d'Édimbourg a développé une nouvelle technologie de membrane de transport d'ions qui pourrait réduire le coût du stockage de l'énergie dans les batteries et de la purification de l'eau.

Ils ont développé les nouvelles membranes en utilisant des simulations informatiques pour construire une classe de polymères microporeux, appelés polymères de microporosité intrinsèque (PIM), et modifier leurs blocs de construction pour différentes propriétés.

Leur invention pourrait contribuer à l'utilisation et au stockage des énergies renouvelables, et augmenter la disponibilité de l'eau potable dans les pays en développement.

Auteur principal Dr Song, du Département de génie chimique de l'Impériale, a déclaré : « Notre conception salue une nouvelle génération de membranes pour une variété d'utilisations, à la fois pour améliorer la vie et augmenter le stockage d'énergies renouvelables telles que l'énergie solaire et éolienne, qui contribuera à lutter contre le changement climatique."

Colonnes de fusilli

Les polymères sont constitués de squelettes rigides et torsadés, comme les pâtes fusilli. Ils contiennent de minuscules pores connus sous le nom de « micropores » qui fournissent rigide, canaux ordonnés à travers lesquels les molécules et les ions voyagent sélectivement en fonction de leur taille physique.

Les polymères sont également solubles dans les solvants courants afin qu'ils puissent être coulés en films super-minces, ce qui accélère encore le transport des ions. Ces facteurs signifient que les nouvelles membranes pourraient être utilisées dans une large gamme de procédés de séparation et de dispositifs électrochimiques qui nécessitent un transport d'ions rapide et sélectif.

L'eau

Pour rendre les PIM plus respectueux de l'eau, l'équipe a incorporé des groupes fonctionnels attracteurs d'eau, connus sous le nom de groupes base de Tröger et amidoxime, pour laisser passer les petits ions de sel tout en retenant les gros ions et les molécules organiques.

L'équipe a démontré que leurs membranes étaient très sélectives lors du filtrage des petits ions de sel de l'eau, et lors de l'élimination des molécules organiques et des micropolluants organiques pour le traitement des eaux municipales. Le Dr Song a déclaré :« De telles membranes pourraient être utilisées dans les systèmes de nanofiltration de l'eau et produites à une échelle beaucoup plus grande pour fournir de l'eau potable dans les pays en développement.

Ils sont également suffisamment spécifiques pour filtrer les ions lithium du magnésium dans l'eau salée - une technique qui pourrait réduire le besoin de lithium extrait coûteux, qui est la principale source de batteries lithium-ion.

Le Dr Song a déclaré :« Peut-être pouvons-nous maintenant obtenir du lithium durable à partir d'eau de mer ou de réservoirs de saumure au lieu de l'exploiter sous terre, ce qui serait moins cher, plus respectueux de l'environnement, et aider au développement des véhicules électriques et du stockage d'énergie renouvelable à grande échelle."

Piles

Les batteries stockent et convertissent l'énergie produite par des sources renouvelables comme le vent et le solaire, avant que l'énergie n'alimente le réseau et alimente les maisons. Le réseau peut puiser dans ces batteries lorsque les sources renouvelables sont faibles, comme lorsque les panneaux solaires ne collectent pas d'énergie la nuit.

Les batteries à flux conviennent à un tel stockage à grande échelle à long terme, mais les batteries à flux commerciales actuelles utilisent des sels de vanadium coûteux, acide sulfurique, et membranes échangeuses d'ions Nafion, qui sont coûteuses et limitent les applications à grande échelle des batteries à flux.

Une batterie à flux typique se compose de deux réservoirs de solutions d'électrolyte qui sont pompés au-delà d'une membrane maintenue entre deux électrodes. Le séparateur à membrane permet le transport des ions porteurs de charge entre les réservoirs tout en empêchant le mélange croisé des deux électrolytes. Le mélange croisé de matériaux peut entraîner une dégradation des performances de la batterie.

Grâce à leurs PIM de nouvelle génération, les chercheurs ont conçu moins cher, membranes faciles à traiter avec des pores bien définis qui laissent passer des ions spécifiques et empêchent les autres d'entrer. Ils ont démontré les applications de leurs membranes dans des batteries à flux redox organiques en utilisant des espèces actives redox organiques à faible coût telles que les quinones et le ferrocyanure de potassium. Leurs membranes PIM ont montré une plus grande sélectivité moléculaire envers les anions ferrocyanure, et donc un faible « croisement » des espèces redox dans la batterie, ce qui pourrait allonger la durée de vie de la batterie.

Co-premier auteur Rui Tan, un doctorat chercheur au Département de génie chimique, a déclaré : « Nous étudions une large gamme de chimies de batteries qui peuvent être améliorées avec notre nouvelle génération de membranes de transport d'ions, des batteries lithium-ion à semi-conducteurs aux batteries à faible coût."

Et après?

Les principes de conception de ces membranes sélectives d'ions sont suffisamment génériques pour pouvoir être étendus aux membranes pour les procédés de séparation industrielle, séparateurs pour les futures générations de batteries telles que les batteries ioniques sodium et potassium, et de nombreux autres dispositifs électrochimiques pour la conversion et le stockage d'énergie, notamment les piles à combustible et les réacteurs électrochimiques.

Co-premier auteur Anqi Wang, également un doctorat. chercheur au Département de génie chimique, a déclaré :« La combinaison du transport rapide des ions et de la sélectivité de ces nouvelles membranes sélectives d'ions les rend attrayantes pour un large éventail d'applications industrielles.

Prochain, les chercheurs vont étendre ce type de membrane pour en faire des membranes de filtration. Ils chercheront également à commercialiser leurs produits en collaboration avec l'industrie, et fonctionnent avec l'alimentation RFC, une entreprise de batteries à flux dérivée fondée par le co-auteur impérial, le professeur Nigel Brandon.