科学家们正在引领一种新方法的开发，以提高电解质的能量效率并降低电化学过程的碳足迹。他们的目标是在钢铁生产等领域增强电解质的效能。电解质对于任何电池的运行至关重要。它们充当正离子（阳离子）在电池的正极和负极之间移动的通道。这种移动使电池在使用时释放能量，并在充电时储存能量。整个过程被称为电化学。
电解质在各种电化学过程中发挥着关键作用。例如，它们可以促进铁矿石转变为精炼铁或铁合金。主要障碍之一是确保电解质在高压运行条件下保持稳定，并防止可能削弱能量效率的副反应。成功克服这一挑战可能会替代目前用于钢铁生产的能源密集型高炉，减少温室气体排放。
这正是新成立的电合成钢铁电气化中心（C-STEEL）的目标，该中心由能源部（DOE）资助并由阿贡国家实验室管理。
在最近的一次科学评审中，阿贡的研究人员提出了一种创建适用于广泛电化学过程的新类电解质的新方法。“通过这一策略，科学家们不仅可以开发电动汽车电池的电解质，还可以用于低碳制造钢铁、水泥和其他化学品，”阿贡的材料科学家及C-STEEL的负责人之一贾斯丁·康奈尔提到。
通常，用于电动车电池的电解质由溶解在液体溶剂中的盐组成。例如，氯化钠是常见盐，而水则作为常见溶剂。盐为电解质提供阳离子和负电荷离子（阴离子）——在食盐的情况下，就是氯。尽管电池中盐和溶剂的组合通常复杂，但它们运行的一个关键因素是电解质通过阴离子和阳离子的平衡保持电荷中性。
以前的研究主要集中在保持单一盐的不同浓度的基础上变化溶剂组成。“我们认为提高电解质的最佳方法是通过对盐的阴离子进行不同实验，”康奈尔表示。“改变阴离子化学可以提高电化学过程的能量效率，同时延长电解质的使用寿命。”
在当前的电解质中，溶剂包裹着阳离子，在电极之间转移。例如，在电动车的标准锂离子电池中，阳离子是锂，而阴离子是氟磷酸盐（PF6）。
为了创造适用于各种用途的新电解质，阿贡团队正在探索将工作阳离子与电解质中的一个或多个不同阴离子配对的想法。当阴离子部分或完全取代阳离子周围的溶剂时，这些构型被称为接触离子对。
面对无数可能的接触离子对组合，如何确定特定应用的最佳阴阳离子配对？为了找出答案，团队正在使用实验方法及机器学习和人工智能驱动的计算分析。
目标是建立一套指导原则，帮助识别为C-STEEL量身定制的满足钢铁生产需求的最佳接触离子对。“有了这些指导方针，我们希望找到一种具有成本效益、耐用的电解质，以促进生产钢铁的最高效过程，”康奈尔表示。
同样的原则也将适用于其他去碳化电化学过程设计的电解质，且可扩展至锂离子电池和其他应用。
这项研究得到了DOE基础能源科学办公室和阿贡实验室定向研究与发展项目的资助。相关论文已经在《化学》杂志上发表，康奈尔、斯特凡·伊利奇和悉尼·拉万作出了贡献。
