De iones a “supercondensadores”: lo digital al rescate del almacenamiento de electricidad

May 20, 2023

Director de investigación en Inria, miembro de la Academia de Ciencias, Inria

Investigador del Centro Interuniversitario de Investigación e Ingeniería de Materiales (CIRIMAT) de Toulouse, Toulouse INP, Toulouse III-Universidad Paul Sabatier, Centro Nacional de Investigaciones Científicas (CNRS)

Director de Investigación del CNRS, París, Ecole Normale Supérieure (ENS) – PSL

Céline Merlet está afiliada a la Red de Almacenamiento de Energía Electroquímica (https://www.energie-rs2e.com/fr) y miembro de la junta directiva de la asociación Femmes & Sciences (https://www.femmesetsciences.fr /). Ha recibido financiación europea con el ERC Starting Grant SuPERPORES (https://cordis.europa.eu/project/id/714581/fr).

Claire Mathieu y Serge Abiteboul no trabajan, consultan, poseen acciones ni reciben financiamiento de ninguna empresa u organización que se beneficiaría de este artículo, y no han revelado afiliaciones relevantes más allá de su cargo académico.

Inria y École Normale Supérieure (ENS) proporcionan financiación como miembros de The Conversation FR.

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Céline Merlet es química, investigadora del CNRS en el Centro Interuniversitario de Investigación e Ingeniería de Materiales (CIRIMAT) de Toulouse. Es especialista en modelos multiescala destinados a describir materiales de almacenamiento de energía. El almacenamiento de energía (solar o eólica, por ejemplo) se está convirtiendo en un importante desafío científico. Céline Merlet nos habla de los supercondensadores, una tecnología llena de promesas.

Binario: ¿Podría hablarnos brevemente sobre la carrera que lo llevó a ser investigador en química y medalla de bronce CNRS 2021?

Céline Merlet: Al principio no iba a hacer química sino biología. Hice una preparación y quería ser veterinaria, pero durante la preparación me di cuenta de que cada vez me interesaba más la química. También hice un proyecto de programación y lo encontré muy divertido. Ingresé a una escuela de ingeniería, Chimie ParisTech. En segundo año, hice una pasantía de tres semanas sobre el modelado de sales fundidas, sales que se vuelven líquidas a temperaturas muy altas. Descubrí allí la simulación digital de fenómenos del mundo real, comprendí que había encontrado mi camino. Después de la escuela de química, volví a hacer un doctorado en el mismo laboratorio donde había hecho mi pasantía. Un postdoctorado en Inglaterra, y fui contratado en el CNRS en 2017.

CM : Con la dificultad de obtener un puesto en Francia y el hecho de que estaba bien establecido en Inglaterra, también apliqué allí. Pero hubo Brexit y eso confirmó mi deseo de volver a Francia.

B: Usted es químico, especialista en sistemas de almacenamiento de energía electroquímicos que involucran materiales complejos. ¿Podría explicar a los lectores binarios lo que esto significa?

CM : El almacenamiento de energía electroquímica se refiere al uso de reacciones electroquímicas para almacenar energía. Los sistemas que sabemos que hacen esto son las baterías de los teléfonos, las computadoras portátiles y los automóviles. Las baterías utilizan materiales complejos con ciertos elementos como el litio, el cobalto y el níquel. El dispositivo se carga y descarga conectándolo a un circuito eléctrico. Los materiales se cambian durante la carga y descarga. Esto es lo que les permite almacenar energía.

Mi investigación se centra en los supercondensadores. En estos sistemas tenemos dos materiales porosos que son electrodos que conectamos entre sí a través de un circuito externo. Cuando cargamos (o descargamos), las moléculas cargadas se colocarán en huecos o por el contrario saldrán de ellos. Se produce un almacenamiento de carga dentro del material. Pero de una manera muy diferente a las baterías. No hay reacción química. Es una simple adsorción de moléculas cargadas.

CM : Hablé de los dos electrodos que están en contacto con esta solución de iones cargados. A menudo, para los supercondensadores, estos son carbonos nanoporosos. Los poros tienen un tamaño aproximado de un nanómetro (1 millonésima de milímetro): esto es algo que no se puede observar a simple vista. Para entender cómo entran y salen los iones de estos poros de carbono, en lugar de hacer experimentos físicos, mezclas en un laboratorio, hago experimentos numéricos, mezclas en la computadora. Trato de entender cómo se mueven los iones y qué sucede, en una escala que no se puede lograr experimentalmente.

CM : Sí, para modelar la trayectoria de los iones, la forma en que se mueven, debes comprender lo que está sucediendo. Cuando lanzamos una pelota, si damos las fuerzas que aplicamos al inicio, podemos deducir la trayectoria. Es lo mismo para los iones. Elegimos el punto de partida. Sabemos qué fuerzas se aplican, las fuerzas de atracción y repulsión. Tenemos limitaciones como el hecho de que una molécula no puede penetrar dentro de otra. Esto nos permite calcular la evolución del sistema de moléculas a lo largo del tiempo. A veces ni siquiera es necesario representar eso con mucha precisión. Si incluso el modelado aproximado se valida mediante experimentos, tenemos el resultado que buscábamos. En mi laboratorio, el CIRIMAT, hay principalmente experimentadores. Somos solo 4 o 5 teóricos en puestos fijos. En mi equipo, los investigadores trabajan directamente en sistemas químicos reales y aprendemos mucho de los intercambios de teoría/experimento.

CM : En estas simulaciones numéricas, se consideran unos pocos cientos a unos pocos miles de átomos. En un experimento real, son al menos 1024 átomos. (Un mililitro de agua ya contiene 1022 moléculas).

CM : Usamos trucos de simulación para encontrar lo que está sucediendo en la realidad. Parte de mi trabajo es desarrollar modelos para establecer el vínculo entre la escala molecular y la escala experimental. Cuando cambiamos de escala, nos permite integrar ciertos elementos pero perdemos otra información a escala molecular.

B: En estas simulaciones de electrodos de carbono dentro de supercondensadores modelo en funcionamiento, ¿cuáles son los obstáculos que tuvo que enfrentar?

CM : A nivel molecular, todavía queda mucho por hacer, y las computadoras más poderosas podrían ayudar. Los materiales conducen la electricidad, los modelos consideran que los carbonos son perfectamente conductores, pero en realidad no lo son. Para una mejor representación, se debe tener en cuenta la naturaleza semiconductora de estos materiales y algunos investigadores están trabajando en este aspecto en este momento.

Para obtener materiales que nos permitan almacenar más energía, tendríamos que entender mejor las propiedades microscópicas que influyen en lo que nos interesa, analizar resultados moleculares para intentar extraer tendencias generales. Por ejemplo, si tenemos dos líquidos que tienen iones diferentes, hacemos mezclas; podemos probar brutalmente muchas mezclas y realizar simulaciones para cada una, o podemos hacer solo algunas y tratar de entender de una mezcla a otra por qué el coeficiente de difusión, por ejemplo, es diferente y así predecir lo que sucederá para cualquier mezcla. Cuanto mejor entendamos lo que está sucediendo, menos será necesario hacer modelos moleculares en una gran cantidad de ejemplos.

B: Recibió el premio "2021 Price Ada Lovelace" por computación de alto rendimiento (HPC). ¿Te presentas más como químico o como especialista en HPC?

CM : No me presento como un especialista en computación HPC pero mis actividades requieren el acceso a computadoras poderosas y habilidades significativas en esta área. Parte de mi trabajo consistía en mejorar ciertos programas para poder usarlos en supercomputadoras. Hacer posibles los cálculos en supercomputadoras abre perspectivas de investigación y es una contribución a la computación HPC.

CM : En cuanto a los supercondensadores, ya se utiliza en sistemas de arranque y parada de automóviles. También se usa en buses híbridos: ponemos supercapacitores en el techo del bus, y cada vez que se detiene, cargamos estos supercapacitores y los usamos para reiniciar el bus. Esto puede ahorrar hasta un 30% de combustible. Preguntas que surgen: ¿Podríamos almacenar más energía? ¿Se pueden utilizar otros materiales?

B: Sabemos que las baterías de nuestros teléfonos se debilitan con bastante rapidez. ¿Podríamos reemplazarlos con supercondensadores?

CM : Si bien las baterías almacenan más energía que los supercondensadores, se degradan más con el tiempo. Al cabo de un tiempo el móvil ya no tiene la misma autonomía que cuando compraste el teléfono. Un supercondensador se puede cargar y descargar muy rápidamente un gran número de veces sin que se dañe. Sin embargo, como las cantidades de energía que pueden almacenar son mucho menores, no podemos imaginar que los supercondensadores estándar puedan reemplazar a las baterías. Más bien, las dos tecnologías se consideran complementarias. Y luego, la línea entre el supercondensador y la batería puede ser un poco borrosa.

B: Eres activa en “Mujeres y Ciencia”. ¿Puedes decirnos qué haces allí y por qué lo haces?

CM : Observo que todavía estamos lejos de la igualdad de género. En química, tenemos una representación bastante buena de mujeres. En mi laboratorio, que corresponde bien a las observaciones nacionales, hay un 40% de mujeres. Pero en la ciencia en general, son pocos.

Uno de los objetivos de "Mujeres y ciencia" es alentar a los jóvenes, y en particular a las niñas, a participar en carreras científicas. Estoy en la junta directiva, a cargo del sitio web, y coordino con otras personas las actividades en la región de Toulouse. Estoy bastante involucrado en intervenciones con escolares, en clases de secundaria o universidad: hablamos sobre nuestros antecedentes o hacemos talleres sobre estereotipos, pequeños talleres para concienciar a los jóvenes sobre los estereotipos, para que entiendan qué es y qué puede implicar en la carrera. opciones

En 2019 desarrollamos un juego, Mendeleiev, para la celebración de los 150 años de la clasificación periódica de los elementos de Mendeleïev. Lo usamos para destacar a mujeres científicas históricas o contemporáneas: tenemos una mesa y descubrimos tanto la utilidad de los elementos como a las mujeres científicas que han trabajado en estos elementos. Estamos digitalizando este juego.

La asociación también realiza otras muchas acciones como exposiciones, folletos, etc.

CM : Me encanta la programación. Pero como paso mucho tiempo entrenando, viajando y asistiendo a reuniones, tengo menos tiempo para hacerlo yo mismo. Yo soy los estudiantes de doctorado que hacen esto. Dependiendo de su habilidad y apetito, programo más o menos.

B: ¿De dónde vienen los doctorandos que se incorporan a su equipo? ¿Son químicos para empezar?

CM : Muchos vienen de todas partes del mundo: Marruecos, Grecia, India. Son físicos o químicos. Incluso tengo un estudiante de grado en informática en L3 que está haciendo prácticas conmigo.

B: ¿Hay algún tema de investigación en informática que sea especialmente importante para usted?

CM : Por el momento, nos preguntamos qué podría aportar el aprendizaje automático a nuestro campo de investigación. Por ejemplo, para modelar, necesitamos conocer las interacciones entre partículas. Los colegas están tratando de ver si podemos hacer un aprendizaje automático de los campos de fuerza. No estamos equipados para atacar estos problemas, por lo que colaboramos con informáticos.