Кредит: Анамул Резван из Pexels
Жизненная сила любой батареи — электролит. Это среда, через которую положительно заряженные элементы (катионы) массово перемещаются между положительными и отрицательными электродами. Таким образом, батареи разряжаются, чтобы обеспечить энергию, и заряжаются, чтобы сохранить ее. Ученые называют это электрохимическим процессом.
Электролиты также играют центральную роль в разработке различных электрохимических процессов. Например, их можно использовать для преобразования железной руды в очищенное железо или железные сплавы. Проблема в том, что электролит должен оставаться стабильным в экстремальных условиях эксплуатации и избегать побочных реакций, которые снижают энергоэффективность. Выгода будет в том, что такой процесс может исключить энергоемкие доменные печи, используемые в производстве стали, и тем самым сократить выбросы парниковых газов.
Это цель нового Центра электрификации стали электросинтезом (C-STEEL), исследовательского центра Energy Earthshot.
В недавней статье исследователи из Аргонна сообщают об инновационном подходе к разработке нового поколения электролитов практически для любого электрохимического процесса. Статья опубликована в журнале Chem.
«С помощью этого подхода ученые смогут разрабатывать электролиты не только для аккумуляторов электромобилей, но и для декарбонизированного производства стали, цемента и различных химикатов», — сказал Джастин Коннелл, ученый-материаловед из Аргонна и заместитель директора C-STEEL.
Электролиты для аккумуляторов электромобилей обычно состоят из соли, растворенной в жидком растворителе. Например, хлорид натрия является обычной солью, а вода — обычным растворителем. Соль обеспечивает электролит как катионами, так и отрицательно заряженными элементами (анионами) — хлором в случае обычной соли. В аккумуляторах состав соли и растворителя намного сложнее, но ключ к их функциональности заключается в том, что электролит нейтрален по заряду, поскольку количество анионов и катионов сбалансировано.
Прошлые исследования были сосредоточены на изменении растворителя на различные составы с использованием одной соли в различных концентрациях. «По нашему мнению, лучший путь к улучшению электролитов в основном лежит через различные анионы для соли», — сказал Коннелл. «Изменение химии анионов может привести как к более энергоэффективным электрохимическим процессам, так и к более долговечному электролиту».
В большинстве современных электролитов растворитель окружает рабочий катион, когда он перемещается между электродами. В обычных литий-ионных аккумуляторах для электромобилей, например, этим катионом будет литий, а анионом — фторфосфат (PF6).
Чтобы разработать новые электролиты для различных применений, команда из Аргонна изучает возможность объединения рабочего катиона с одним или несколькими различными анионами в электролите. Когда анионы частично или полностью заменяют растворитель, чтобы окружить катион, ученые называют их контактными ионными парами.
Однако, при бесчисленном количестве возможных пар контактных ионов, как можно определить наилучшее соответствие анионов рабочим катионам в конкретном приложении? С этой целью команда проводит эксперименты, дополненные вычислениями с использованием машинного обучения и искусственного интеллекта.
Цель состоит в том, чтобы разработать набор принципов проектирования, которые обеспечат наилучшие контактные ионные пары для электролита, подходящего для требований сталеплавильного производства в рамках C-STEEL.
«Учитывая эти принципы, мы надеемся открыть доступный, долговечный электролит, который обеспечит наиболее эффективный процесс производства железа для стали», — сказал Коннелл.
Эти же принципы будут применяться к электролитам для других декарбонизированных электрохимических процессов, а также для литий-ионных аккумуляторов и не только.
Помимо Коннелла, авторами являются Стефан Илич и Сидни Лаван.
Дополнительная информация: Стефан Илич и др., Анионно-производное контактное ионное спаривание как единый принцип для проектирования электролита, Химия (2024). DOI: 10.1016/j.chempr.2024.07.031
Информация о журнале: Chem Предоставлено Аргоннской национальной лабораторией
