创新电解质可以改变炼钢工艺及其他领域

Josiah02

任何电池的命脉都是电解质。它是带正电的元素（阳离子）在正极和负极之间大量迁移的介质。通过这种方式，电池放电以提供能量，充电以储存能量。科学家称之为电化学过程。
电解质对于开发不同的电化学工艺也至关重要。例如，它们可用于将铁矿石转化为纯铁金属或铁合金。挑战在于电解质必须在极端操作条件下保持稳定，并避免降低能源效率的副反应。回报是，这样的工艺可以消除钢铁生产中使用的能源密集型高炉，从而减少温室气体排放。
这是新成立的电合成钢铁电气化中心（C-STEEL）的目标，该中心是一个能源地球研究中心。
在最近的一篇论文中，阿贡研究人员报告了一种创新方法，可以设计出适用于几乎所有电化学过程的新一代电解质。该论文发表在《化学》杂志上。
阿贡国家实验室材料科学家、C-STEEL 副主任贾斯汀康奈尔 (Justin Connell) 表示：“通过这种方法，科学家们不仅可以开发用于电动汽车电池的电解质，还可以开发用于钢铁、水泥和各种化学品的脱碳制造的电解质。”
电动汽车电池的电解质通常由溶解在液体溶剂中的盐组成。例如，氯化钠是一种普通盐，水是一种普通溶剂。盐为电解质提供阳离子和带负电的元素（阴离子）——普通盐中为氯。在电池中，盐和溶剂的成分要复杂得多，但它们功能的关键在于电解质是电中性的，因为阴离子和阳离子的数量是平衡的。
过去的研究主要集中在使用不同浓度的单一盐将溶剂改变为不同的成分。“我们认为，改进电解质的最佳途径主要是通过盐的不同阴离子，”康奈尔说。“改变阴离子化学性质可以实现更节能的电化学过程和更持久的电解质。”
在当今的大多数电解质中，当阳离子在电极之间移动时，溶剂会包围工作阳离子。例如，在用于电动汽车的传统锂离子电池中，该阳离子是锂；阴离子是氟磷酸盐 (PF 6 )。
为了设计适用于不同应用的新型电解质，阿贡团队正在研究将工作阳离子与电解质中的一种或多种不同的阴离子配对。当阴离子部分或全部取代溶剂包围阳离子时，科学家将其称为接触离子对。
然而，由于可能的接触离子配对不计其数，如何在特定应用中确定阴离子与工作阳离子的最佳匹配？为此，该团队正在进行实验，并辅以机器学习和人工智能的计算。
目的是制定一套设计原则，为适合炼钢需求的电解质提供最佳接触离子对，作为 C-STEEL 的一部分。
康奈尔表示：“基于这些原则，我们希望发现一种价格低廉、持久耐用的电解质，从而实现最高效的炼铁工艺。”
这些相同的原则也适用于其他脱碳电化学过程的电解质以及锂离子电池等。
除了康奈尔之外，作者还包括斯蒂芬·伊利奇（Stefan Ilic）和悉尼·拉万（Sydney Lavan）。