1962ko abenduan, doktoregoko ikasle gazte batek, John S. Newmanek, Theoretical Analysis of Current Distribution in Porous Electrodes artikulua argitaratu zuen. Agian beste edozein artikulu arrunt bezalakoa izango zela pentsatuz... agian bateriako elektrodo baterako eredu matematiko hori modelizazio elektrokimikoaren hirurogei urteko oinarri bihurtuko zela jakin gabe. Hala ere, artikulu hura oso urrun zegoen egungo eredu konputazional prediktiboetatik edo Gemelo Digital kontzeptu modernotik, kontuan hartuta garai hartako ordenagailu indartsuenak RAMen 96 KB eta 576 KB biltegiratzearen baliokidea zuela.

1859an asmatutako berun-azido pilatik 1991n litiozko lehen ioi-pilara arte, pila kargagarrien garapena saiakuntza eta errore planteamendu esperimentaletan oinarritu da nagusiki. Gailu berri horiek eskaintzen zuten potentzial handiari esker, pila kargagarriak oso azkar sartu ziren merkatuan, funtzionamendu-printzipioen ulermen teoriko sakonaren beharrik gabe. Egoera hori aldatzen hasi da azken hamarkadan, eta, gaur egun, eskala anitzeko modelizazioa I+Gko protagonista nagusietako bat bihurtu da pila kargagarrietan.

Baterien modelizazioaren esparruan, eredu konputazionalen familia handia dago, hala nola zirkuitu baliokideak, bolumenaren erdiguneko ereduak, mesoeskalakoak eta atomistikoak, besteak beste. Horietako bakoitzak hainbat fenomeno fisiko aztertzen ditu luzera-eskala desberdinetan. Bereziki, makroeskalen eta mikroeskalen arteko zubi gisa jardunez, maila mesoeskalarreko ereduak aurkitzen ditugu. Dozenaka mikrometroko bereizmenarekin, mesoeskalako ereduak gai dira baterien elektrodoek, hau da, material aktiboek, gehigarri eroaleek, aglutinatzaileek eta poroek osatzen dituzten faseen heterogeneotasun espazialaren eraginaren berri emateko.

Mesoeskalako modelizazioaren lan-fluxua honako hau da. Lehen urrats batean, elektrodoaren egitura guztiz konpondua behar da, hau da, lehen aipatutako fase guztien 3Dko irudikapena. Urrats kritikoa da, elektrodo errealen propietateak modu fidagarrian irudikatzen dituzten egitura-ereduak lortzea funtsezkoa baita iragartzeko ahalmenen bat izan dezaten. Elektrodoen egiturak ordenagailu bidezko tomografiako esperimentuetatik lor daitezke, edo in silico sor daitezke, algoritmo estokastikoak, fabrikazio-simulazioak edo ikaskuntza automatikoa erabiliz.

Jarraian, egitura horiek simulagailuan inportatzen dira eta, aipatutako elektrodoaren osagaiak irudikatzen dituzten domeinu bakoitzerako ekuazio elektrokimikoak inplementatu ondoren, simulazioak egiten dira zenbakizko konpontzaileak erabiliz. Erabiltzen diren eredu matematikoak Newmanek eta kolaboratzaileek garatutako jatorrizko formalismoaren 3D luzapena dira.

Zein da mesoeskalako eredu zehatz baten balio erantsia?

Mesoeskalako eredua funtsezkoa da bateria baten funtzionamendu-printzipioak hobeto ulertzeko elektrodoen egituraren mailan. Mota horretako ereduen ekarpen nagusiak honako hauek dira:

• Elektrodoaren irudikapen errealista eta zehatza. Bai datu tomografikoak erabiltzen badira, bai esperimentuetan oinarritutako elektrodoak berreraikitzen badira, posible da bateria-zelula erreal baten portaera aurreikustea baldintza operatibo desberdinetan, eta, ondorioz, denbora eta baliabideak aurreztea.
  
  
• Elektrodoaren heterogeneotasunak bateriaren azken errendimenduan duen eragina zuzenean aztertzeko aukera ematen du. Batez besteko edo ordezko modelizazioak bateria kargagarrien portaera elektrokimikoa oso azkar baliozkotzeko tresna bat eman dezakeen bitartean, mesoeskalako modelizazioa elektrodoaren egiturak bateriaren errendimenduan duen eragina aurreikusteko erabiltzen da, portaera elektrokimikoaren funtzionamendu-mekanismoak hobeto ulertzen lagunduz.
  
  
• Mesoeskalako modelizazioak elektrodoaren formulazioak bateriaren errendimenduan duen eragina aurreikusteko gaitasuna du. Horrek esan nahi du, elektrodoaren konposizioarekin jolastuz, tresna konputazional bat eskaintzen duela elektrodoaren fabrikazioan hobekuntzak proposatzeko eta bateriaren diseinu arrazionalerako bidea errazteko.
  
  
• Esperimentuen bidez neurtzea zaila edo ezinezkoa dela ikus daiteke. Litio-kontzentrazioak material aktiboetan duen banaketa espazialak, nahastutako elektrodoetan aktibo diren materialen arteko sinergiak edo korronteak elektrodoaren gainazalean duen banaketak zelularen elektrokimika ulertzen laguntzen dute, proba esperimentalak optimizatuz.
  
  

Erronkak

Hona hemen mesoeskalako modelizazioak aurre egin behar dien erronketako batzuk:

• Hainbat urtetan zehar, konputazio-denbora izan zen mesoeskalako modelizaziorako muga nagusia; hala ere, joera hori poliki-poliki aldatzen ari da, eta bateriak denbora errealean diagnostikatzeko edozein sistemarentzat aplikagarria izatetik urrun dagoen arren, kalkulu-potentzia gero eta handiagoari eta zenbakizko konpontzaileen optimizazioari esker, eta bi minututan karga edo deskarga oso bat simulatu daiteke mahai gaineko ordenagailu bat erabiliz.
  
  
• Elektrodoak berreraikitzea benetako erronka da oraindik. Elektrodoen irudietarako sarbidea ikerketa-erakunde gutxi batzuetara mugatuta dago, eta berreraikitzeko teknikak, oraingoz, ez dira zehatzak elektrodo errealeko mesoegitura baten xehetasun guztiak jasotzeko. Hala ere, adimen artifizialaren bidez irudiak lortzeko tekniketan aurrerapen esanguratsuak lortzen ari dira. Bestalde, irudiak berreraikitzeko sarbide libreko liburutegiak daude, eta, ondorioz, teknika horiek eskuragarriagoak dira komunitate zientifikoarentzat.
  
  
• Degradazio-mekanismoen modelizazio konputazionala, hala nola solido/elektrolito interfazea, dendriten eraketa edo material aktiboaren haustura, hasi berria den fasean dago oraindik, batez ere prozesu elektrokimikoak eta mekanikoak eskala mikroskopikoan hobeto ulertu behar direlako mekanismo horien eredu prediktibo bat aurkitzeko. Hala ere, komunitate zientifikoak ahalegin handia egin du, bai ikuspuntu esperimentaletik, bai konputazionaletik, ikerketa-ildo hori garatzeko.

Laburbilduz. Modelizazio elektrokimikoa bateria kargagarrien I+Gko protagonista nagusietako bat bihurtu da berriki. Kalkulu-potentzia handitzearekin batera, hiru dimentsioko eredu elektrokimikoek bateria baten funtzionamendu-mekanismoak zentzuz ulertzeko gaitasuna dutela erakutsi dute azken urteotan. Gainera, baterien errendimendua iragartzea errealitate bat da gaur egun, eta ikerketa esperimentala gidatzeko aukera ematen du, denbora, ingurumen-inpaktua eta kostu ekonomikoak murriztuz.

Hemen, CIC energiGUNEn, bateria kargagarrien eskala anitzeko ereduak garatzen ari gara, gure ikerketa-taldearen gaitasunak aprobetxatuz egitura elektronikoaren, dinamika molekularraren, mesoeskalaren eta makroeskalaren simulazioak egiteko bateriak ikertzeko sistema interesgarri ugaritan. Horrek balio erantsia ematen dio zentroaren espiritu kooperatiboari eta euskal industriaren lehiakortasunari.