Chem: Инновационные электролиты сделают сталелитейное производство экологичнее

Батарея работает за счёт электролита — среды, через которую перемещаются положительно заряженные частицы между электродами. Так происходит разрядка аккумулятора для отдачи энергии и его зарядка для накопления. Этот процесс называют электрохимическим.

Электролиты важны и в других электрохимических процессах. Например, их можно использовать при переработке железной руды, чтобы отказаться от энергоёмких доменных печей при производстве стали и тем самым сократить выбросы парниковых газов. Но сложность заключается в том, что электролит должен быть стабильным в экстремальных условиях эксплуатации и не вступать в побочные реакции.

Цель нового исследовательского центра C-STEEL, финансируемого Министерством энергетики (DOE) и возглавляемого Аргоннской национальной лабораторией DOE — упростить процесс производства стали с помощью электросинтеза.

В научном обзоре исследователи из Аргонны описали новый подход к разработке электролитов для электрохимических процессов. Эти электролиты можно будет использовать не только в аккумуляторах электромобилей, но и при производстве стали, цемента и различных химических веществ, — говорит Джастин Коннелл, материаловед из Аргонны и заместитель директора C-STEEL.

Электролиты для аккумуляторов электромобилей состоят из соли, растворённой в жидкости. Например, хлорид натрия — это соль, а вода — жидкость.

Соль состоит из положительно (катионы) и отрицательно (анионы) заряженных частиц. В обычной соли это натрий и хлор. Состав электролитов в аккумуляторах сложнее, но важно то, что количество анионов и катионов сбалансировано, поэтому общий заряд нейтрален.

Раньше исследования были направлены на изменение состава растворителя с использованием одной соли в разной концентрации.

По мнению Коннелла, улучшить электролиты можно через использование различных анионов для соли. Изменение химического состава анионов может сделать электрохимические процессы более энергоэффективными и продлить срок службы электролита.

В большинстве современных электролитов растворитель окружает рабочий катион, когда тот перемещается между электродами. В литий-ионных батареях для электромобилей таким катионом является литий, а анионом — фторфосфат (PF6).

Команда из Аргонна разрабатывает новые электролиты для разных целей. Они исследуют, как соединить рабочий катион с одним или несколькими анионами в электролите.

Когда анионы частично или полностью заменяют растворитель и окружают катион, учёные называют их контактными ионными парами. Но как определить наилучшее сочетание анионов с катионами? Для этого команда проводит эксперименты и использует машинное обучение и искусственный интеллект.

Цель проекта C-STEEL — разработать набор принципов проектирования контактных пар ионов для электролита, который будет использоваться в сталелитейном производстве.

Принципы будут применяться и в других электрохимических процессах с декарбонизацией, а также при создании литий-ионных батарей.

Результаты опубликованы в издании Chem.

24.09.2024