La inteligencia artificial se muestra prometedora en el campo del diseño de baterías y científicos del Laboratorio Nacional de Argonne explican su visión de la búsqueda de electrolitos con inteligencia artificial que podrían permitir químicas de baterías revolucionarias.
La inteligencia artificial y los laboratorios robotizados podrían acelerar la búsqueda de nuevos electrolitos para baterías, un componente crucial de la química de las baterías de nueva generación.
El diseño de una batería consta de tres partes. Se necesita un electrodo positivo, un electrodo negativo y, para la conexión crítica, un electrolito que funcione con ambos electrodos.
El electrolito es el componente de la batería que transfiere iones, partículas portadoras de carga, de un lado a otro de los dos electrodos de la batería, haciendo que ésta se cargue y descargue. En las baterías de iones de litio actuales, la química del electrolito está relativamente bien definida. Sin embargo, para las futuras generaciones de baterías que se están desarrollando en todo el mundo y en el Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE), la cuestión del diseño del electrolito está muy abierta.
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El poder de la Inteligencia Artificial para mejorar las baterías
Para acelerar la búsqueda de electrolitos innovadores, los científicos han recurrido al poder de la caracterización avanzada y la inteligencia artificial (IA) para buscar digitalmente entre muchos más candidatos posibles, acelerando lo que hasta ahora había sido un proceso lento y minucioso de síntesis en laboratorio.
Shirley Meng, científica jefe del Centro de Colaboración Argonne para la Ciencia del Almacenamiento de Energía (ACCESS) y profesora de ingeniería molecular en la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular de la Universidad de Chicago, explicó: “Aunque estamos encerrados en un concepto concreto de electrolitos que funcionará con las baterías comerciales actuales, El desarrollo de electrolitos es una de las claves del progreso que lograremos para hacer realidad estas baterías más baratas, duraderas y potentes, y dar un paso importante para seguir descarbonizando nuestra economía”.
Según Meng, incluso las desviaciones relativamente pequeñas respecto a las baterías actuales exigirán un replanteamiento del diseño del electrolito.
Pasar de un óxido que contiene níquel a un material a base de azufre como principal componente del electrodo positivo de una batería de iones de litio podría reportar importantes ventajas de rendimiento y reducir costes si los científicos consiguen encontrar la manera de modificar el electrolito, señaló.
La informática de alto rendimiento y la inteligencia artificial están permitiendo identificar los mejores descriptores y características que permitirán diseñar a medida diversos electrolitos para usos específicos, explicó Meng. En lugar de estudiar unas pocas docenas de posibilidades de electrolitos al año en el laboratorio, estamos estudiando muchos miles con la ayuda de la computación.
Un factor importante que los científicos tienen en cuenta en el desarrollo de nuevos electrolitos es cómo tienden a formar una capa intermedia llamada interfase, que aprovecha la reactividad de los electrodos.
“Las interfases son de crucial importancia para el funcionamiento de una batería porque controlan cómo fluyen los iones selectivos dentro y fuera de los electrodos”, explicó Meng. “Las interfases funcionan como una puerta al resto de la batería; si la puerta no funciona correctamente, el transporte selectivo no funciona”.
El objetivo a corto plazo, según el equipo, es diseñar electrolitos con las propiedades químicas y electroquímicas adecuadas para permitir la formación óptima de interfases en los electrodos positivo y negativo de la batería.
En última instancia, los investigadores creen que podrían desarrollar un grupo de electrolitos sólidos que serían estables a temperaturas extremas, tanto altas como bajas, y permitirían que las baterías de alta energía tuvieran una vida útil mucho más larga.
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Venkat Srinivasan, director de ACCESS, subdirector del Centro Conjunto de Investigación sobre Almacenamiento de Energía y coautor del artículo, añade: “Un electrolito de estado sólido para una batería totalmente sólida cambiará las reglas del juego. La clave de una batería de estado sólido es un ánodo metálico, pero su rendimiento está limitado actualmente por la formación de unas estructuras en forma de aguja llamadas dendritas que pueden cortocircuitar la batería. Si encontramos un electrolito sólido que impida o inhiba la formación de dendritas, podremos aprovechar las ventajas de algunas químicas de baterías realmente interesantes”.
Los electrolitos tienen miles de millones de combinaciones posibles de componentes (sales, disolventes y aditivos) con las que podemos jugar, dijo Srinivasan. Para convertir ese número en algo más manejable, estamos empezando a utilizar realmente el poder de la IA, el aprendizaje automático y los laboratorios automatizados.
Los laboratorios automatizados a los que se refería Srinivasan incorporarán un régimen experimental dirigido por robots. De este modo, las máquinas podrán realizar sin ayuda experimentos cada vez más cuidadosamente refinados y calibrados para acabar determinando qué combinación de componentes formará el electrolito perfecto.
El descubrimiento automatizado puede aumentar espectacularmente la potencia de las investigaciones, ya que las máquinas pueden trabajar las 24 horas del día y reducir las posibilidades de error humano.
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