El desarrollo de nuevas tecnologías de almacenamiento energético no depende únicamente de encontrar nuevas químicas de batería. Uno de los grandes retos consiste también en acelerar la forma en que se descubren, optimizan y comprenden los materiales que determinarán sus prestaciones.

Con este objetivo, CIC energiGUNE ha puesto en marcha el proyecto SMART – Sodium-ion battery Materials Accelerated Research by high-Throughput approach (PID2022-140823OB-I00), dentro de la convocatoria Proyectos de Generación de Conocimiento 2022.

Liderado por Marine Reynaud y Damien Saurel, SMART se desarrolla entre 2023 y 2026 y centra su investigación en una de las tecnologías que está ganando relevancia como alternativa complementaria para el almacenamiento energético: las baterías de ion sodio. El proyecto aborda el desarrollo de sus materiales de electrodo desde una perspectiva diferente, combinando ciencia de materiales, automatización experimental, caracterización avanzada y herramientas digitales. La propuesta identifica precisamente el rendimiento de los materiales activos de electrodo como uno de los principales cuellos de botella para avanzar en esta tecnología.

Un enorme espacio de materiales todavía por explorar

Las baterías de ion sodio presentan interés por su potencial para complementar otras tecnologías de almacenamiento y reducir la dependencia de determinadas materias primas críticas. Pero todavía existe un amplio margen para mejorar las prestaciones de sus materiales.

Una de las oportunidades reside precisamente en la riqueza química de los compuestos basados en sodio. Sus composiciones, estructuras cristalinas y diagramas de fase presentan un espacio de exploración considerable que todavía no ha sido estudiado de manera exhaustiva. Esto abre la puerta a identificar nuevas composiciones con mejores propiedades electroquímicas, pero también plantea un problema: explorar experimentalmente todas las posibilidades mediante métodos convencionales de prueba y error puede requerir enormes cantidades de tiempo y recursos.

SMART nace para cambiar esta forma de trabajar.

El proyecto concentra sus esfuerzos en tres grandes familias de materiales de electrodo especialmente relevantes para las baterías de ion sodio: los óxidos laminares de sodio y metales de transición, los compuestos tipo Prussian White y los carbonos duros. El objetivo no es estudiar unas pocas composiciones aisladas, sino explorar de forma sistemática sus composiciones, fases y condiciones de síntesis para identificar materiales capaces de ofrecer mejores prestaciones.

Automatizar para investigar más rápido

La principal innovación de SMART está, por tanto, tanto en los materiales investigados como en la metodología utilizada para encontrarlos.

En lugar de seguir exclusivamente una aproximación secuencial en la que cada experimento se prepara, ejecuta y analiza de manera individual, el proyecto trabaja en el desarrollo de métodos experimentales automatizados y de alto rendimiento que permitan estudiar un número mucho mayor de variables de forma eficiente y reproducible.

Esto implica desarrollar y optimizar sistemas capaces de automatizar diferentes etapas de la investigación, desde la síntesis de materiales hasta su caracterización. La automatización permite aumentar el número de experimentos que pueden realizarse, pero también mejorar la comparabilidad de los resultados y reducir tareas repetitivas que tradicionalmente requieren una elevada intervención manual.

La caracterización avanzada constituye otro de los pilares del proyecto. Técnicas como la difracción de rayos X (XRD), junto con experimentos operando en grandes instalaciones como el sincrotrón ALBA, permiten estudiar no solo qué estructura presenta un material inicialmente, sino cómo evoluciona durante los procesos electroquímicos de carga y descarga. El proyecto contempló desde su planteamiento el uso del sincrotrón ALBA para experimentos operando y de infraestructuras de computación para cálculos basados en teoría del funcional de la densidad.

Del experimento al dato y del dato al siguiente experimento

La aceleración del descubrimiento de materiales requiere además gestionar de forma eficiente la gran cantidad de información generada.

Por eso SMART incorpora herramientas de estandarización, gestión y análisis automatizado de datos, además de métodos de inteligencia artificial y aprendizaje automático. El objetivo último es avanzar hacia un proceso en el que los resultados de los experimentos puedan utilizarse para orientar de forma más inteligente qué composiciones o condiciones deben investigarse a continuación.

Es lo que se conoce como una aproximación de circuito cerrado entre experimento y modelo: los experimentos generan datos, los datos alimentan los modelos y estos ayudan a seleccionar los experimentos potencialmente más informativos. De esta forma, se busca reducir iteraciones innecesarias y concentrar los recursos experimentales en las regiones más prometedoras del espacio de materiales.

Una metodología más allá del ion sodio

Aunque SMART utiliza las baterías de ion sodio como caso de estudio, su alcance metodológico es mayor. La automatización de síntesis y caracterización, la gestión estandarizada de datos y el uso de algoritmos para apoyar la toma de decisiones pueden aplicarse a otras familias de materiales y a otros ámbitos de investigación.

El proyecto contribuye así al desarrollo de lo que se conoce como Materials Acceleration Platforms, plataformas capaces de integrar experimentación, automatización, caracterización, datos y herramientas computacionales para reducir los tiempos asociados al descubrimiento y optimización de nuevos materiales.

Con SMART, CIC energiGUNE refuerza su actividad en materiales avanzados para almacenamiento energético y da un nuevo paso hacia una forma de investigar en la que automatización, conocimiento científico y herramientas digitales trabajan conjuntamente para acelerar el camino desde la exploración de un material hasta su comprensión y optimización.

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