當前的離子交換膜用于凈化水并將可再生能源輸出存儲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，但是這些膜通常對離子傳輸的導電性或選擇性不足。

現在，愛丁堡大學的研究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儲能和凈化水的成本。他們使用計算機模擬技術開發新的膜，以構建一類稱為內在微孔性(PIM)的微孔聚合物，并改變其結構構件以實現不同的性能。他們的發明可以促進可再生能源的使用和存儲，并增加發展中國家清潔飲用水的供應。

參與這項研究的還有多位中國學者：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：“我們的設計開拓了用于多種用途的新一代膜，既改善生活水平，又促進太陽能和風能等可再生能源的存儲，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設備中。

為了使內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以允許小鹽離子通過，同時保留大離子和有機分子。

該研究證明，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于市政水處理時，這樣的膜具有很高的選擇性。這種膜可用于水的納濾系統中，并可大規模生產，以為發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，這種技術可以減少對昂貴的開采鋰的需求，而鋰是鋰離子電池的主要來源。

研究人員認為：“也許現在我們可以從海水或鹽水庫中獲取可持續的鋰，而不是在地下開采，這將更便宜、更環保，并有助于電動汽車和大規模可再生能源的發展。 ”

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，然后再將其饋入電網并為房屋供電。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。

液流電池適合于這樣的大規模長期存儲，但是當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薄膜。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。

利用這樣的新一代內在微孔性技術，研究人員設計了價格便宜、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入。研究人員展示了該膜在使用低成本有機氧化還原活性物質(例如醌和亞鐵氰化鉀)的有機氧化還原液流電池中的應用。這樣的內在微孔性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”率低，從而電池壽命更長。

論文第一作者、化學工程系的研究人員、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，從固態鋰離子電池到低成本液流電池。 ”

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)以及許多其他用于能量轉換和存儲(包括燃料)的電化學裝置電池和電化學反應器。

論文共同第一作者、化學工程學系的研究人員、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制造過濾膜。他們還將與工業界合作，將其產品商業化，并與電力公司合作創立分拆式流動電池公司。