El elemento vital de cualquier batería es el electrolito.Es el medio a través del cual los elementos cargados positivamente (cationes) migran en masa entre los electrodos positivo y negativo.De esta manera, las baterías se descargan para proporcionar energía y se cargan para almacenar energía.Los científicos llaman a esto un proceso electroquímico.

Los electrolitos también son fundamentales para el desarrollo de diferentes procesos electroquímicos.Por ejemplo, podrían usarse para convertirmineral de hierroen hierro metal purificado o aleaciones de hierro.Un desafío es que elelectrólitodebe permanecer estable en condiciones operativas extremas y evitar reacciones secundarias que reduzcan la eficiencia energética.La recompensa sería que tal proceso podría eliminar los altos hornos que consumen mucha energía y que se utilizan enproducción de aceroy así reducir las emisiones de gases de efecto invernadero.

Ése es el objetivo del nuevo Centro de Electrificación del Acero mediante Electrosíntesis (C-STEEL), un centro de investigación Energy Earthshot.

En un artículo reciente, los investigadores de Argonne informan sobre un enfoque innovador para diseñar una nueva generación de electrolitos para casi cualquierproceso electroquímico.el papel espublicadoen el diarioquímica.

"Con este enfoque, los científicos deberían poder desarrollar electrolitos no sólo para baterías de vehículos eléctricos, sino también para la fabricación descarbonizada de acero, cemento y diversos productos químicos", afirmó Justin Connell, científico de materiales de Argonne y subdirector de C-STEEL.

Los electrolitos de las baterías de vehículos eléctricos suelen estar compuestos por unsaldisuelto en un disolvente líquido.Por ejemplo, el cloruro de sodio es una sal común y el agua un solvente común.La sal proporciona al electrolito cationes y elementos cargados negativamente (aniones), cloro en el caso de la sal común.En las baterías, las composiciones de sales y disolventes son mucho más complicadas que eso, pero la clave de su funcionalidad es que el electrolito tiene carga neutra porque la cantidad de aniones y cationes está equilibrada.

Investigaciones anteriores se han centrado en cambiar el disolvente a diferentes composiciones utilizando una sola sal en diferentes concentraciones."En nuestra opinión, el mejor camino hacia electrolitos mejorados es principalmente a través de diferentes aniones para la sal", dijo Connell."Cambiar elaniónLa química podría conducir a procesos electroquímicos más eficientes energéticamente y a un electrolito más duradero".En la mayoría de los electrolitos actuales, el disolvente rodea la zona de trabajo.

catiónmientras se mueve entre los electrodos.Enbaterías de iones de litio convencionalesparavehículos eléctricos, como ejemplo, ese catión sería el litio;y el anión, un fosfato de flúor (PF₆).

Para diseñar nuevos electrolitos para diferentes aplicaciones, el equipo de Argonne busca emparejar el catión de trabajo con uno o más aniones diferentes en el electrolito.Cuando los aniones reemplazan parcial o totalmente el disolvente para rodear el catión, los científicos se refieren a estos como pares de iones de contacto.

Sin embargo, con innumerables pares de iones de contacto posibles, ¿cómo se puede identificar la mejor combinación de aniones con cationes de trabajo en una aplicación específica?Para ello, el equipo está llevando a cabo experimentos complementados con cálculos utilizando aprendizaje automático e inteligencia artificial.

El objetivo es desarrollar un conjunto de principios de diseño que produzcan los mejores pares de iones de contacto para el electrolito adecuados a las demandas de la fabricación de acero como parte de C-STEEL.

"Con estos principios en mente, esperamos descubrir un electrolito asequible y duradero que produzca el proceso más eficiente para fabricar hierro para acero", dijo Connell.

Estos mismos principios se aplicarían a los electrolitos para otros procesos electroquímicos descarbonizados, así como a las baterías de iones de litio y más.

Además de Connell, los autores incluyen a Stefan Ilic y Sydney Lavan.