Mugikortasun elektrikoaren gorakada geldiezinarekin, energia, dronak eta inplante medikoak modu estazionarioan biltegiratzearekin, baterien eskari globala nabarmen handitzea espero da hurrengo hamarkadan. Izan ere, Europan bakarrik, 200 GWh eta TWh arteko gelaxkak ekoizteko gaitasuna beharko dela uste da.

Gaur egun, ion-litio bateriek merkatuko ahalmen handiena eskaintzen dute. Hori, neurri handi batean, azken hamarkadetan egin diren ikerketa- eta garapen-ahalegin etengabeen ondorioz gertatu da; izan ere, ahalegin horiei esker lortu du teknologia horrek energia-dentsitatearen gehienezko muga teorikoa. Hala ere, hori ez da nahikoa aplikazio berri askok (ibilgailu elektrikoak, adibidez) eskatzen dituzten prestazioak betetzeko. Beraz, ezinbestekoa da ion-litio teknologia baino haratago joan daitezkeen sistema kimiko berriak esploratzea.

Europa mailan, Battery 2030+ eskala handiko lankidetzako eta diziplina anitzeko ikerketa-ekimena da, eta etorkizuneko bateria jasangarriak garatzeko funtsezko oinarriak ezarri nahi ditu. Erronka nagusiak finkatzeko, Battery 2030+ proiektuak hiru gai orokor proposatzen ditu, hainbat ikerketa-arlo barne hartzen dituztenak:

• Bateria jasangarrietarako, dentsitate handiko baterietarako eta potentzia energetikoko baterietarako material berrien bilaketa bizkortua, haien artean degradazio-erreakzioak arintzeko interfaze egonkorrak sortzeko gai direnak.
• Funtzionalitate adimendunak integratzea, baterien bizi-denbora eta segurtasuna areagotzeko. Horren barruan sartzen da zelda mailan jarduten duten kimika eta elektrokimika berrien garapena, baita bateriaren zikloetan zehar galdutako funtzionalitateak berreskuratzeko gai diren material autoerregulatzaileen erabilera ere.
• Materialaren manufakturagarritasuna laugarren industria-iraultzaren (Industria 4.0) ikuspuntutik finkatzea. Atal honetan birziklatzeko alderdiak hartzen dira kontuan, hala nola material eta elektrodo aktiboen berregokitzea.

Gaur egun, baterietarako materialen arloko ikerketa ikertzaileen intuizio kimikoan oinarritzen da. Horrek saiakuntza- eta errore-metodoan oinarritutako optimizazio-prozesu heuristikoak inplikatzen ditu. Beraz, material berriak eta gelaxka-diseinu berriak aurkitzeak ahalegin handia eskatzen du kostu ekonomikoari eta denborari dagokienez – Tradizionalki, 10 urte baino gehiago igaro ohi dira material baten hasierako aurkikuntzaren eta maila praktikoan merkaturatzearen artean.

Arazo hori ohikoa da baterien esparruan ez ezik, baita beste ikerketa-arlo askotan ere. Mitiglo ez da lan erraza.

Ildo horretan, errendimendu handiko baheketa ugari egin dira azken urteotan, materialen zientziaren hainbat arlotan estrategia eraginkor gisa, hala nola katalisian, polimeroen zientzian edo biomedikuntzan.

Errendimendu handiko baheketa bereziki eraginkorra da metodo teoriko konputazionalekin konbinatzen denean. Agertoki hibrido horietan, material hautagaiak aldez aurreko kalkulu teorikoen bidez hautatzen dira, ondoren baliozkotze esperimentala egiteko. Hala ere, prozedura horiek espazio kimiko handien baheketa sistematiko eta zehatz batean oinarritzen dira, eta horrek, kasu askotan, maila praktikoan trataezina den konbinazio-leherketa bat dakar.

Gaur egun, bilaketa intentsiboaren eta sakonaren ordez, miatu beharreko espazioaren ibilbide partziala, selektiboagoa, egin nahi da. Helburua behar diren esperimentuen kopurua murriztea da.

Funtsean, paradigma berri honek bilaketa-prozesu tradizionala birformulatzen du, optimizazio-arazo bihurtuz, non datuetan oinarritutako algoritmo inpartzial batek ikertzailearen intuizio kimikoa simulatu nahi duen. Asmoa da laborategi autonomo eta automatizatuak inplementatzea, intereseko aplikaziorako berariaz izendatutako optimizazio-algoritmoak erabiliz espazio materiala sekuentzialki zeharkatzeko gai direnak.

Testuinguru horretan, BATTERY2030+ek baterietarako materialen garapen bizkortuko plataforma bat ezartzea iradokitzen du.

Sintesi robot autonomoak, adimen artifiziaren bidez kontrolatuak eta zuzenduak, bilaketa-paradigma berri honen elementu nagusiak dira. Sistema horiek errealitate bat dira dagoeneko, eta konposatu organiko eta farmazeutiko berrien ikerketan erabiltzen dira.

Energia biltegiratzearen esparruan, robot adimendunek zuzendutako automatizazioak eta sintesiak elektrolito funtzionalak eta anodo eta katodoentzako material aktiboak garatzeko eremua irekitzen du.

Gaur egun, limitazio nagusia sintesi-protokoloak eta karakterizazio-protokoloak estandarizatu gabe daudela da; beraz, normalean ez dira ezagutzen baldintza guztiak lortu dituzten emaitza asko eta literatura zientifikoan islatu direnak.

Uste denez, automatizazioaren, saiakuntza miniaturizatuen eta datu-base handien analisiaren bidez konposatu-liburutegi handien baheketa esperimental eta teoriko intentsibo batek materialen aurkikuntza azkartu lezake, metodo konbentzionalekiko magnitude-ordena batean.

Gaur egun, errendimendu handiko baheketa-sistemen zenbait adibide daude, elektrolitoak, gelaxka-diseinuak eta neurri elektrokimikoak formulatzeko erabat automatizatuta daudenak, hala nola Alemaniako Baterien Ikerketa Zentroa (MEET).

ION-SELF proiektua

CIC energiGUNEn ION-SELF proiektua hasi berri dugu, Zientzia eta Berrikuntza Ministerioak finantzatua eta Javier Carrasco eta Marine Reynaud buru dituena.

ION-SELFek adimen artifizialeko teknikak ezarriko ditu, simulazio teorikoetatik datozen datuetatik zein emaitza esperimental errealetatik ikasiko dutenak. Entrenamendu konputazional horren helburua esperimentu berrien emaitzak iragartzea da, zenbait kontrol-parametroren arabera (konposizioa, tenperatura, erreakzio denborak, disolbatzailea, atmosfera, etab.).

ION-SELFen dagoen esparru teorikoaren (materialen simulazioa) eta esperimentalaren (sintesia eta karakterizazioa) arteko lotura estuak aukera emango du esperimentu moten eta kalkulu teorikoen arteko korrelazioak identifikatzeko. Horrek indar gordineko prozedura intentsiboen bidez baino emaitza azkarragoak lortzea ekarriko du.

Hauek dira ION-SELFen bi helburu nagusiak:

• Algoritmo eraginkorrak garatzea plangintza esperimental autonomorako.
• Materialen sintesi automatizatua kontrolatzea, emaitzak optimizatuz.

ION-SELFen funtsezko alderdi bat begizta itxiko esperimentazio-prozesua da. Hau da, une oro ebaluatzea ordura arte egindako esperimentuetatik lortutako emaitzak, adimen artifizialaren metodoetan oinarritutako algoritmoen bidez hurrengo esperimentuak hobeto planifikatzeko.

Kontzeptuaren froga gisa, ION-SELF proiektuan azterketako bi kasu hauek hartuko dira kontuan:

• Li-Ni-Mn-Al-Mg-O espazio kimikoa. Egungo ion-litiozko baterietan erabiltzen diren tentsio handiko elektrodoen materialen kobalto-edukia murrizteko premia kritikoak eragin du hautaketa hori. Horretarako, kobaltoa aluminioarekin edo magnesioarekin ordezkatzea proposatu da oxido laminarretan eta nikeletan aberatsak diren espineletan.
• Na-M-PO4 sistema (m = Fe, Mn, Co, Ni). Interes handikoa da sodio bateriak garatzeko, ion-litio katodoen LiFePO4 erreferentzia materialaren baliokidea baita.

Proiektuaren azken fasean, metodo konputazionalen bidez hautatutako beste sistema batzuk aztertzeko eskuratutako ezagutzak zabalduko dira, elektrodoentzako material erakargarri berriak lortzeko.

ION-SELF proiektuaren arrakastak baterietarako material berrien aurkikuntza bizkortzea ahalbidetuko du, eta hori, aldi berean, Europako ekonomiaren erabateko deskarbonizazioaren azken helburuan beste urrats bat izango da.

Egileak