Batterijonderzoek: Start voor het eerste volledig automatische laboratorium

Professor Helge Stein legt Ministerin Theresia Bauer een deel van het nieuwe materiaalversnellingsplatform uit. (Foto: Daniel Messling, KIT)

Start van de nieuwe hightech-installatie: Professor Michael Weber, voorzitter van de Universiteit Ulm, Professor Maximilian Fichtner, Professor Joachim Ankerhold, vicerector van de Universiteit Ulm, Minister Theresia Bauer, Professor Oliver Kraft, vicerector van het KIT voor onderzoek, en tenure-track-professor Helge Stein. (v.l.n.r.; foto: Daniel Messling, KIT)

Rondom de klok batterijen bouwen, duizenden grensvlakken analyseren, de resultaten autonoom evalueren met behulp van Kunstmatige Intelligentie (KI) en meteen het volgende experiment plannen: Een nieuwe installatie bij het excellentiecluster POLiS voert de materiaalkunde volledig automatisch en digitaal uit. Het autonome onderzoekslaboratorium is ontstaan uit een samenwerking tussen het Karlsruher Instituut voor Technologie (KIT), de Universiteit Ulm en het Helmholtz-Instituut Ulm (HIU) en is nu in gebruik genomen. Bij de opening was de Baden-Württembergse minister voor wetenschap, onderzoek en kunst Theresia Bauer aanwezig.

Voor de mobiliteits- en energietransitie zijn nieuwe krachtige en duurzame batterijen nodig. Dit vormt een grote uitdaging, want van idee tot eindproduct duurt het met de huidige methoden decennia. Met een nu voltooide hightech-installatie bij POLiS moet het in de toekomst veel sneller gaan. Het vlaggenschipproject is ontwikkeld binnen het excellentiecluster POLiS, waarin het KIT samen met de Universiteit Ulm werkt aan de batterijen van de toekomst. “Met de financiering van dit nieuwe platform voor materiaalkunde is er een wereldwijd unieke onderzoeksinfrastructuur ontstaan. We hopen op een aanzienlijke impuls voor onderzoek naar energiebuffers, die onmisbaar zijn bij de overgang van ons energiesysteem en onze mobiliteit. Tegelijkertijd konden we met de financiering Professor Helge Stein aantrekken als een creatieve en energieke kracht voor ons team in Ulm,” zegt Theresia Bauer, minister voor wetenschap, onderzoek en kunst in Baden-Württemberg, die POLiS en het HIU bezocht ter gelegenheid van de opening.

De allereerste volledig geïntegreerde platform ter wereld voor versnelde onderzoek naar elektrochemische energiebuffering

Helge Stein, tenure-track-hoogleraar aan het KIT en woordvoerder van het POLiS-onderzoeksgebied, legt de voordelen van de installatie uit: “We zijn nu in staat om batterijen en hun individuele componenten geautomatiseerd te synthetiseren en samen te bouwen, een meting te starten en deze volledig automatisch te evalueren. Op basis van de gegevens kan de KI-gestuurde installatie zelfs beslissen welk experiment als volgende moet worden uitgevoerd.” Met zijn onderzoeksgroep heeft Stein de onderliggende combinatorische materiaalsynthese, high-throughput karakterisering en data-mining technieken ontwikkeld met behulp van KI-methoden voor de evaluatie en planning van experimenten. De installatie, genaamd PLACES/R (Platform for Accelerated Electrochemical Energy Storage Research), is ’s werelds eerste volledig geïntegreerde platform voor versnelde research naar elektrochemische energiebuffering.

Nieuw paradigma voor de ontwikkeling van batterijmaterialen

Batterijonderzoek wordt gekenmerkt door de zoektocht naar de ideale combinatie van materialen, samenstelling en procestechnieken. Alle mogelijke variaties met alle materialen testen zou met traditionele methoden echter duizenden jaren in beslag nemen. “Onze installatie kan meerdere honderden van dergelijke variaties per dag testen. Dit komt ongeveer overeen met het gemiddelde levenswerk van een onderzoeker,” aldus Stein. Naast de versnelling door automatisering kan door algoritmen en KI een aanvullende optimalisatie worden bereikt die tot tien keer sneller is, waardoor veelbelovende batterijconcepten nog sneller en kosteneffectiever op de markt kunnen worden gebracht.

De nieuwe onderzoeksinstallatie is ingebed in een Europees kader: de verzamelde gegevens uit alle fasen van de batterijontwikkelingscyclus worden gedeeld met 34 instellingen uit 15 landen binnen het project BIG-MAP van de Europese onderzoeksinitiatieven BATTERY2030+. “Het volledig geautomatiseerde laboratorium stelt ons en onze Europese partners niet alleen in staat om componenten voor nieuwe batterijen veel sneller te ontwikkelen. Het zal er ook voor zorgen dat batterijen tegen zo laag mogelijke kosten kunnen worden geproduceerd, waardoor het in de toekomst nog aantrekkelijker wordt om stroom, bijvoorbeeld uit zon en wind, op te slaan in batterijen,” zegt professor Maximilian Fichtner, algemeen directeur van het HIU en woordvoerder van POLiS.