Entre los proyectos seleccionados, CIC energiGUNE participará como socio en dos subproyectos estratégicos: ProSC (ProPEL) y ION-MAKE dirigidos a abordar retos clave en sostenibilidad energética, economía circular y tecnologías de almacenamiento avanzadas.
Proyecto ProSC (Subproyecto del marco ProPEL, TED2021-131641B-C44): Diseño e integración de materiales basados en proteínas conductoras en supercondensadores para bioelectrónica sostenible
Las altas demandas de los consumidores de energías renovables han estimulado la necesidad de dispositivos de almacenamiento de energía más eficientes, con alta potencia específica, ciclos de vida largos y capacidad de carga/descarga rápida. Los capacitores eléctricos de doble capa son una tecnología madura que tiene todas estas características, pero cuando se requiere flexibilidad, la baja conductividad de los electrolitos poliméricos existentes limita su aplicación en la bioelectrónica portátil. En consecuencia, se está llevando a cabo una intensa investigación a nivel global para el desarrollo de electrolitos poliméricos en gel que son más seguros y cuyo rendimiento no se ve afectado, ya que combinan una fase líquida con una matriz polimérica. A pesar de que los polímeros naturales han surgido como un material alternativo para reemplazar a los polímeros sintéticos, el uso de proteínas y péptidos se ha restringido solo a su uso como espaciadores entre las láminas de grafeno de los supercondensadores. Para resolver esto, el proyecto ProSC tiene como objetivo (i) el desarrollo de electrolitos tipo gel basados en proteínas y péptidos y de (ii) electrodos flexibles basados en carbono derivados de biomasa para (iii) explorar su utilidad como partes de supercondensadores electroquímicos que sean el punto de partida de un cambio radical en el campo de la bioelectrónica hacia el diseño de dispositivos de almacenamiento de energía sostenibles.
En las primeras etapas del proyecto coordinado, ProSC empleará la infraestructura CIC energiGUNE y la experiencia de sus investigadores en la caracterización experimental de las propiedades conductoras iónicas de los materiales para identificar los mejores candidatos para la conducción protónica y retroalimentará al resto de subproyectos para rediseñar y optimizar nuevas generaciones de materiales proteicos y peptídicos. Después de varias iteraciones, los mejores materiales conductores identificados se explorarán como componentes en prototipos. En las actividades específicas desarrolladas por el proyecto ProSC, las proteínas y/o péptidos se combinarán con polímeros biocompatibles o agentes de entrecruzamiento para generar electrolitos poliméricos en gel o en estado sólido puro, con propiedades mecánicas y conductivas óptimas. Al mismo tiempo, los carbones obtenidos a partir de los residuos de biomasa se mezclarán con aglutinantes seleccionados para obtener electrodos flexibles que se estructurarán para obtener microelectrodos sobre sustratos poliméricos flexibles.
Una vez que los electrolitos basados en proteínas y los microelectrodos de carbono estén fabricados y caracterizados por completo, los investigadores de ProSC explorarán su uso como componentes de dispositivos de supercondensadores. Como parámetro crítico, se estudiará y caracterizará la interfaz entre electrodo-electrolito combinando técnicas electroquímicas convencionales y técnicas de análisis de superficie y relacionando los resultados obtenidos con el rendimiento del supercondensador.
En resumen, ProSC se propone interconectar materiales basados en proteínas con materiales de almacenamiento de energía, para el diseño de dispositivos electrónicos biocompatibles. El desarrollo de dispositivos electrónicos portátiles livianos y flexibles será clave para los futuros avances de la medicina bioelectrónica para el cuidado de la salud con implicaciones directas para los objetivos de la transición ecológica y digital.
Proyecto ION-MAKE (proyecto individual, TED2021-132090B-I00): Aprendizaje automático para fabricar electrodos: acelerar la fabricación de baterías de estado sólido con electrolito polimérico con alta densidad energética
Las baterías de estado sólido con electrolito polimérico (BESEP) cumplen con los requisitos de densidad de energía, capacidad de carga y potencia, estabilidad térmica y seguridad esperados para las baterías de próxima generación, que superarán el rendimiento de las baterías de iones de litio (BIL) actuales y permitirán la electrificación de la movilidad a nivel global. Sin embargo, todavía se necesita una investigación intensa para lograr procesos de fabricación rentables, escalables y sostenibles de los distintos componentes para BESEPs, que puedan producir un rendimiento de celda óptimo y cumplir con los objetivos específicos de cada aplicación. Reducir el tiempo y el coste de tal esfuerzo es clave para producir BESEPs competitivas en el mercado. Esto implica ir más allá del enfoque actual basado en ensayos de prueba y error, lo cual es la motivación principal del proyecto ION-MAKE de CIC energiGUNE.
Para abordar este desafío, este proyecto tiene como objetivo desarrollar herramientas digitales capaces de acelerar la fabricación de electrodos de tecnologías BESEPs y proporcionar una comprensión fundamental sin precedentes de las relaciones proceso-estructurapropiedad, lo que conducirá a aumentar la densidad de energía y al mismo tiempo ahorrar costos, constituyendo así una base sólida para transferir conocimientos de escala de laboratorio a escala de producción.
Con este fin, el proyecto ION-MAKE se basa en un enfoque científico y tecnológico multidisciplinario que combina (i) una comprensión profunda de las condiciones de mezcla, recubrimiento, secado y calandrado de la suspensión para fabricar sistemáticamente cátodos y BESEPs completas, (ii) caracterización electroquímica de vanguardia para evaluar tanto componentes como celdas, y (iii) el uso de algoritmos de Machine Learning (ML) para guiar y acelerar la optimización de los procesos mencionados en (i).
Este proyecto contribuirá tanto a la transición digital como a la ecológica. En primer lugar, mediante el uso de tecnologías digitales basadas en ML tomadas de la Inteligencia Artificial, ION-MAKE tiene como objetivo acelerar los pasos clave del desarrollo relacionado con la fabricación de BESEPs. Además, los algoritmos ML del proyecto y el conocimiento generado serán una base excelente para convertirse en un componente de digitalización importante en el ámbito de las baterías, lo que conducirá a una aceleración dramática en el tiempo de descubrimiento e innovación de esta tecnología. Esto reforzará el Sistema Español de Ciencia, Tecnología e Innovación (componente 17) poniendo a disposición de la ciencia y la industria una nueva herramienta digital basada en ML para reducir el tiempo y el coste de fabricación de celdas BESEPs. En cuanto a las implicaciones en la transición ecológica, la implementación lo más rápido posible de BESEPs en el mercado tiene una gran relevancia para impulsar la electromovilidad y, por lo tanto, comenzar a reducir las emisiones de CO2. Por lo tanto, este proyecto está en línea con el paquete Green Deal, Fit for 55 y ofrece apoyo a largo plazo a los Planes de Recuperación y Resiliencia.
