Des chercheurs développent un robot électrochimique autonome et personnalisable

Des chercheurs du Beckman Institute for Advanced Science and Technology ont développé un robot de laboratoire automatisé pour exécuter des expériences électrochimiques complexes et analyser les données.

Dans un souci d’abordabilité et d’accessibilité, les chercheurs ont créé en collaboration un robot de paillasse qui effectue rapidement de l’électrochimie. Bien nommé Electrolab, cet instrument réduit considérablement les efforts et le temps nécessaires aux études électrochimiques en automatisant de nombreuses tâches de laboratoire basiques et répétitives.

L’Electrolab peut être utilisé pour explorer les matériaux de stockage d’énergie et les réactions chimiques qui favorisent l’utilisation de sources d’énergie alternatives et renouvelables comme l’énergie solaire ou éolienne, essentielles à la lutte contre le changement climatique.

“Nous espérons que l’Electrolab permettra de nouvelles découvertes dans le domaine du stockage d’énergie tout en nous aidant à partager des connaissances et des données avec d’autres électrochimistes et non-électrochimistes. Nous voulons qu’ils puissent essayer des choses qu’ils ne pouvaient pas essayer auparavant”, a déclaré Joaquín Rodríguez-López, professeur au Département de chimie de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign.

L’équipe interdisciplinaire était codirigée par Rodríguez-López et Charles Schroeder, professeur d’économie James au Département de science et d’ingénierie des matériaux et professeur de génie chimique et biomoléculaire à l’UIUC. Leurs travaux paraissent dans la revue Appareil.

L’électrochimie est l’étude de l’électricité et de sa relation avec la chimie. Les réactions chimiques libèrent de l’énergie qui peut être convertie en électricité : les piles utilisées pour alimenter les télécommandes ou les véhicules électriques sont de parfaits exemples de ce phénomène.

Dans le sens inverse, l’électricité peut également être utilisée pour déclencher des réactions chimiques. L’électrochimie peut fournir une alternative verte et durable à de nombreuses réactions qui nécessiteraient autrement l’utilisation de produits chimiques agressifs, et elle peut même déclencher des réactions chimiques qui convertissent les gaz à effet de serre tels que le dioxyde de carbone en produits chimiques utiles dans d’autres industries. Il s’agit de démonstrations électrochimiques relativement simples, mais la demande croissante de génération et de stockage de quantités massives d’énergie à une échelle beaucoup plus grande constitue actuellement un défi majeur.

Un type de batterie, connu sous le nom de batterie à flux redox, est utilisé pour le stockage au niveau du réseau et peut stocker et alimenter des réseaux électriques entiers. Les batteries explorées par cette collaboration utilisent des molécules organiques pour stocker de l’énergie et peuvent être facilement modifiées ou ajustées en modifiant la structure de ces molécules. Un inconvénient majeur de l’exploration des conditions des batteries à flux redox est qu’il faut beaucoup de temps et d’efforts pour identifier un système qui fonctionne, a déclaré Michael Pence, étudiant diplômé du laboratoire Rodríguez-López et chercheur diplômé de l’Institut Beckman en 2023.

L’Electrolab est né d’une idée entre Rodríguez-López et Schroeder basée sur un projet de collaboration axé sur l’avancement de la science et de la technologie des batteries. Rodríguez-López et Schroeder ont constitué une équipe interdisciplinaire comprenant des programmeurs, des ingénieurs et des électrochimistes. Au départ, l’idée était de créer un design microfabriqué, mais l’équipe a décidé de donner la priorité à l’accessibilité et à la transférabilité.

Après avoir établi la conception finale de l’Electrolab, le groupe de recherche a créé et testé avec succès un appareil abordable, hautement adaptable, composé de pièces communes et dont la construction coûte environ 1 000 dollars, ce qui est essentiel pour son adoption par les laboratoires de toutes tailles. L’équipe partage ouvertement les plans de construction de cet instrument, afin que tous les chercheurs puissent en bénéficier.

Il y a deux composants principaux d’Electrolab : le matériel et le logiciel. Le matériel se compose d’un cadre d’imprimante 3D standard qui a été transformé en robot de gestion de solutions ; des réseaux d’électrodes microfabriquées, ou eChips ; et matériel électrochimique. Le châssis permet au robot de se déplacer dans une zone désignée au-dessus des cellules électrochimiques pour distribuer différents liquides. Les eChips mesurent le courant électrique nécessaire à la compréhension des mesures électrochimiques.

Le composant logiciel a été créé en Python (une plate-forme de codage gratuite et open source) qui permet à l’utilisateur de se connecter à Electrolab pour effectuer des expériences. Le logiciel permet une analyse de données, des graphiques visuels et un traçage entièrement automatisés. Lorsqu’il est associé à l’apprentissage automatique, l’Electrolab passe d’un robot accomplissant des tâches prédéterminées à un robot capable de prendre des décisions sur la direction de l’expérience pendant qu’elle se déroule. En règle générale, un électrochimiste sélectionne les ensembles de données intéressants pour avancer, mais l’Electrolab utilise les données qu’il collecte et analyse en temps réel pour passer à l’étape suivante. En d’autres termes, l’Electrolab rend cette science électro-rapide.

Le goulot d’étranglement de la caractérisation électrochimique est le temps requis pour une analyse et une caractérisation approfondies de nouvelles molécules et solutions. Il s’agit de tâches telles que mesurer les tensions auxquelles les matériaux de la batterie se chargent et se déchargent et déterminer la vitesse des réactions secondaires. Il existe des façons presque illimitées d’explorer et de peaufiner ces systèmes, mais il n’y a tout simplement pas assez de temps ni de bande passante pour explorer toutes les options.

L’Electrolab accélère la découverte de nouveaux matériaux et contribuera à terme à lutter contre le changement climatique. L’étude d’une conversion efficace de l’énergie et l’exploration de nouveaux matériaux de stockage d’énergie utilisés dans les batteries à flux redox permettraient aux sources d’énergie alternatives comme l’énergie solaire ou éolienne de devenir plus pratiques. Au cœur de tout cela se trouve l’électrochimie, explique Pence, et c’est pourquoi Electrolab est si important.

Dans leur article récemment publié, l’équipe de recherche décrit en détail le fonctionnement d’Electrolab et rapporte les résultats de deux expériences utilisées pour tester la précision et la robustesse de leur robot. L’Electrolab a réalisé plus de 200 expériences dans plusieurs conditions, analysé les données et même nettoyé après lui-même en 2 heures. Cette expérience aurait pris 8 heures à un électrochimiste moyen, en fonction de son niveau de caféination.

La deuxième expérience a testé la capacité de l’Electrolab à travailler en tant que spécialiste. Programmé pour examiner un matériau de batterie à flux redox de nouvelle génération dans le cadre d’un type d’expérience beaucoup plus exigeant visant à trouver des solutions électrolytiques de support, l’Electrolab a été modifié avec des électrodes plus petites et plus sensibles et configuré pour fonctionner de manière entièrement autonome. Il a accompli les tâches en moins de quatre heures sans interférence humaine, permettant aux chercheurs de travailler sur d’autres projets et réduisant le bruit de fond souvent observé lors d’analyses électrochimiques délicates.

Au-delà de l’exploration de nouveaux matériaux pour batteries, l’Electrolab s’avère prometteur pour l’exploration de systèmes dans lesquels l’électrochimie entraîne des réactions chimiques de manière verte et durable. Dans le cadre de ses recherches sur Beckman, Pence prévoit d’utiliser l’Electrolab pour examiner les conditions d’oxydation des sous-produits courants de la biomasse, trouvant ainsi des moyens de transformer les déchets en produits chimiques à valeur ajoutée.