Разработка инновационных электролитов может существенно увеличить эффективность промышленных процессов

Ключевым элементом любого аккумулятора является электролит. Через него происходит перемещение заряженных элементов (катионов) между положительными и отрицательными электродами. В результате АКБ заряжаются для хранения энергии и разряжаются для питания потребителей. Это называется электрохимическим процессом. Но аккумуляторами не ограничивается сфера использования электролитов. К примеру, их можно использовать в процессе получение железа или сплавов на его основе из руды. Основным требованием здесь является то, что электролит должен оставаться стабильным в экстремальных условиях эксплуатации. Кроме того, не должно протекать побочных реакций, снижающих энергоэффективность. Учёные говорят, что при подборе соответствующего электролита можно исключить энергоёмкие доменные печи, применяемые при производстве стали.

Министерство энергетики США (DOE) финансирует новый центр электрификации стали электросинтезом (C-STEEL) исследовательского центра Energy Earthshot, который работает под управлением Аргоннской национальной лабораторией DOE. В своей недавней статье исследователи из Аргонна сообщили о разработке нового поколения электролитов, подходящих практически для любых электрохимических процессов. Они утверждают, что их можно использовать для декарбонизации производства стали, цемента и некоторых химикатов. Об этом заявил ученый-материаловед из Аргонна и заместитель директора C-STEEL, Джастин Коннелл.

Электролиты для аккумуляторов электромобилей обычно имеют в своём составе соли жидком растворителе. Например хлорид натрия, растворённый в воде. Соль обеспечивает электролит катионами (положительно заряженные) и анионами (отрицательно заряженные). На практике состав соли и растворителя в электролите значительно сложнее. Но смысл заключается в том, что электролит имеет нейтральный заряд, а число  анионов и катионов сбалансировано. Более ранние исследования были сосредоточены на корректировке состава растворителя. Это сводилось к тому, что разная соль использовалась в различных концентрациях. Коннелл говорит, что путь к усовершенствованию электролита лежит в использовании различных анионов для соли. Их доработка может привести к созданию более эффективных электрохимических процессов, а также разработки более долговечного электролита.

В большинстве современных электролитов растворитель находится вокруг рабочего катиона, когда тот перемещается между электродами. В случае литий-ионных аккумуляторов для электромобилей катионом является литий, а анионом фторфосфат (PF₆).

Для достижения поставленных целей команда учёных из Аргонна рассматривает возможность объединения рабочего катиона с одним или несколькими анионами в электролите. Они оперируют понятием контактные ионные пары. Это когда анионы частично или полностью заменяют растворитель и окружают катион. Однако определить наилучшее сочетание анионов и катионов при бесчисленном количестве контактных ионных пар очень сложно. Поэтому команда специалистов проводит эксперименты, совмещённые с вычислениями, где применяется искусственный интеллект и машинное обучение.

Учёные хотят разработать принципы проектирования, которые дают лучшие контактные ионные пары для электролита, подходящего для требований сталеплавильного производства в рамках C-STEEL. В дальнейшем с учётом полученных принципов проектирования они создадут недорогой и долговечный электролит для эффективного процесса получения стали. Подобные принципы будут использоваться для разработки электролитов к другим электрохимическим процессам. В том числе, для совершенствования литий-ионных аккумуляторов. Это исследование было одобрено Управлением фундаментальных энергетических наук DOE и программой Laboratory Directed Research and Development в Аргонне. Совместно с Коннеллом авторами исследования являются Стефан Илич и Сидни Лаван.