Eletrólitos inovadores podem transformar metalurgia, siderurgia e baterias

Redação do Site Inovação Tecnológica - 08/10/2024

Eletrólitos são importantes em muitos campos, além das baterias.
[Imagem: Stefan Ilic et al. - 10.1016/j.chempr.2024.07.031]

Importância dos eletrólitos

Quase sempre que falamos em eletrólitos estamos falando de baterias. De fato, o eletrólito é o sangue que corre nas veias das baterias, levando elementos carregados positivamente (cátions) entre os eletrodos positivo e negativo.

Mas esse processo eletroquímico é essencial em uma variedade de outros processos igualmente importantes, e poderia ser muito mais. Por exemplo, os eletrólitos poderiam ser usados para a conversão de minérios em metais puros e em ligas metálicas, como o minério de ferro em ferro metálico, aço e outras ligas, promovendo um "verdejamento" geral da mineração até a siderurgia.

Um desafio para tornar isso realidade é que o eletrólito deve permanecer estável sob condições operacionais extremas e evitar reações colaterais que reduzam a eficiência energética do processo. Mas as recompensas são enormes: Um processo eletroquímico desses poderia eliminar os altos-fornos intensivos em energia das indústrias metalúrgica e siderúrgica, usados na produção de aço e, assim, reduzir as emissões de gases de efeito estufa.

Levantando tudo o que sabemos a esse respeito, Stefan Ilic e colegas do Laboratório Nacional Argonne, nos EUA, identificaram uma abordagem inovadora que permitirá projetar uma nova geração de eletrólitos para quase qualquer processo eletroquímico.

"Com essa abordagem, os cientistas deverão ser capazes de desenvolver eletrólitos não apenas para baterias de veículos elétricos, mas também para a fabricação descarbonizada de aço, cimento e vários produtos químicos," disse Justin Connell, membro da equipe.

Emparelhamento de íons de contato derivados de ânions: Este é o princípio unificador para o projeto de eletrólitos, defende a equipe.
[Imagem: Stefan Ilic et al. - 10.1016/j.chempr.2024.07.031]

Como projetar eletrólitos

Os eletrólitos para as baterias dos veículos elétricos são tipicamente compostos de um sal dissolvido em um solvente líquido. Por exemplo, o cloreto de sódio é um sal comum, e a água um solvente comum. O sal fornece ao eletrólito tanto cátions quanto elementos carregados negativamente (ânions) - cloro no caso do sal comum.

Nas baterias, as composições de sal e solvente são muito mais complicadas do que isso, mas a chave para sua funcionalidade é que o eletrólito seja neutro em carga porque o número de ânions e cátions deve ser equilibrado.

As pesquisas na área têm-se concentrado em mudar o solvente para diferentes composições usando um único sal em concentrações variadas. "Em nossa opinião, o melhor caminho para eletrólitos aprimorados é principalmente por meio de diferentes ânions para o sal," ponderou Connell. "Mudar a química do ânion pode levar a processos eletroquímicos mais eficientes em termos de energia e a um eletrólito mais duradouro."

Embora a pesquisa esteja focada na metalurgia do ferro e na siderurgia, os princípios deverão ter ampla aplicação.
[Imagem: Stefan Ilic et al. - 10.1016/j.chempr.2024.07.031]

Foco na metalurgia do ferro

Na maioria dos eletrólitos hoje, o solvente envolve o cátion de trabalho conforme ele se move entre os eletrodos. Nas baterias de íons de lítio, por exemplo, esse cátion seria o lítio, e o ânion seria um fosfato de flúor (PF₆).

Para projetar novos eletrólitos para diferentes aplicações, os pesquisadores estão tentando parear o cátion de trabalho com um ou mais ânions diferentes no eletrólito - quando os ânions substituem parcial ou totalmente o solvente para cercar o cátion, eles são conhecidos como pares de íons de contato.

No entanto, com inúmeros pares de íons de contato possíveis, o desafio agora é identificar a melhor combinação de ânions com cátions de trabalho, e isso deve variar para cada aplicação específica. Os pesquisadores estão trabalhando nisso selecionando experimentos por meio de computações usando aprendizado de máquina e inteligência artificial. Como o interesse é eminentemente prático, eles estão procurando especificamente eletrólitos para transformar o minério de ferro em aço.

"Com esses princípios em mente, esperamos descobrir um eletrólito acessível e duradouro que produza o processo mais eficiente para produzir o ferro para a indústria de aço," disse Connell.

Mas um resultado positivo deverá ter alcance mais amplo, uma vez que os mesmos princípios se aplicarão a eletrólitos para outros processos eletroquímicos industriais, bem como para as baterias de íons de lítio.

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