バッテリーの生命線は電解液です。これは、正に帯電した元素 (カチオン) が正極と負極の間を一斉に移動する媒体です。これにより、バッテリーは放電してエネルギーを提供し、充電してエネルギーを蓄えます。科学者はこれを電気化学プロセスと呼んでいます。

電解質は、さまざまな電気化学プロセスの開発においても中心的な役割を果たします。たとえば、変換に使用できます。鉄鉱石精製された鉄金属または鉄合金になります。課題は、電解質極端な動作条件下でも安定性を維持し、エネルギー効率を低下させる副反応を回避する必要があります。その見返りは、そのようなプロセスにより、エネルギーを大量に消費する高炉を廃止できることです。鉄鋼生産それによって温室効果ガスの排出量を削減します。

それが、エネルギーアースショット研究センターである新しい電気合成による鉄鋼電化センター（C-STEEL）の目標です。

最近の論文で、アルゴンヌの研究者らは、ほぼあらゆる用途に適した新世代の電解質を設計する革新的なアプローチを報告しています。電気化学プロセス。紙は出版された日記で化学。

アルゴンヌ大学の材料科学者でC-STEELの副所長であるジャスティン・コネル氏は、「このアプローチにより、科学者は電気自動車のバッテリーだけでなく、鉄鋼、セメント、さまざまな化学物質の脱炭素製造にも使用できる電解質を開発できるはずだ」と述べた。

電気自動車のバッテリーの電解質は通常、次の成分で構成されています。塩液体溶媒に溶解します。たとえば、塩化ナトリウムは食塩であり、水は一般的な溶媒です。塩は、電解質にカチオンとマイナスに荷電した元素 (アニオン) (食塩の場合は塩素) の両方を提供します。電池では、塩と溶媒の組成はそれよりもはるかに複雑ですが、その機能の鍵は、アニオンとカチオンの数のバランスが取れているため、電解質の電荷が中性であることです。

過去の研究は、単一の塩をさまざまな濃度で使用して、溶媒をさまざまな組成に変更することに焦点を当てていました。「私たちの見解では、電解質を改善するための最善の道は、主に塩のさまざまなアニオンを使用することです」とコネル氏は述べた。「を変えることは、アニオン化学は、よりエネルギー効率の高い電気化学プロセスとより長持ちする電解質の両方につながる可能性があります。」今日のほとんどの電解質では、溶媒が作用物質を取り囲んでいます。

カチオン電極間を移動するとき。で従来のリチウムイオン電池のために電気自動車一例として、そのカチオンはリチウムになります。アニオンはフッ素リン酸塩 (PF)₆）。

さまざまな用途向けに新しい電解質を設計するために、アルゴンヌのチームは、電解質中の作用するカチオンと 1 つ以上の異なるアニオンを組み合わせることに検討しています。アニオンが溶媒を部分的または完全に置き換えてカチオンを取り囲む場合、科学者はこれらを接触イオンペアと呼びます。

しかし、考えられる接触イオンのペアは無数にあるため、特定の用途でアニオンと作用するカチオンの最適な組み合わせをどのように特定できるのでしょうか?この目的を達成するために、チームは機械学習と人工知能を使用した計算によって補完される実験を追求しています。

目的は、C-STEEL の一部として製鉄の要求に適した電解液に最適な接触イオン対をもたらす一連の設計原理を開発することです。

「これらの原則を念頭に置いて、鉄鋼用の鉄を製造するための最も効率的なプロセスを生み出す、手頃な価格で長持ちする電解質を発見したいと考えています」とコネル氏は述べた。

これらと同じ原理が、他の脱炭素電気化学プロセスやリチウムイオン電池などの電解質にも当てはまります。

Connell に加えて、著者には Stefan Ilic と Sydney Lavan が含まれます。