Vandaag, IBM Research bouwt voort op een lange geschiedenis van materiaalwetenschappelijke innovatie om een ​​nieuwe batterijontdekking te onthullen. Dit nieuwe onderzoek zou kunnen helpen de behoefte aan zware metalen bij de productie van batterijen weg te nemen en de duurzaamheid op lange termijn van veel elementen van onze energie-infrastructuur te transformeren.

Terwijl batterijgevoede alternatieven worden onderzocht voor alles, van voertuigen tot slimme energienetwerken, er blijven grote zorgen over de duurzaamheid van beschikbare batterijtechnologieën.

Veel batterijmaterialen, waaronder zware metalen zoals nikkel en kobalt, enorme ecologische en humanitaire risico's met zich meebrengen. Kobalt in het bijzonder, die grotendeels beschikbaar is in Centraal-Afrika, is onder vuur komen te liggen vanwege onzorgvuldige en uitbuitende extractiepraktijken.

Met behulp van drie nieuwe en verschillende eigen materialen, die nooit eerder zijn geregistreerd als gecombineerd in een batterij, ons team bij IBM Research heeft een chemische samenstelling ontdekt voor een nieuwe batterij die geen zware metalen of andere stoffen gebruikt, wat de inkoop betreft.

De materialen voor deze batterij kunnen worden gewonnen uit zeewater, de basis leggen voor minder ingrijpende inkooptechnieken dan de huidige materiaalwinningsmethoden.

Net zo veelbelovend als de samenstelling van deze nieuwe batterij, is het prestatiepotentieel. Bij de eerste testen het bewees dat het kan worden geoptimaliseerd om de mogelijkheden van lithium-ionbatterijen te overtreffen in een aantal afzonderlijke categorieën, waaronder lagere kosten, snellere oplaadtijd, hogere vermogens- en energiedichtheid, sterke energie-efficiëntie en lage ontvlambaarheid.

Nieuw batterijontwerp kan beter presteren dan lithium-ion in verschillende duurzame technologieën

Ontdekt in het Battery Lab van IBM Research, dit ontwerp maakt gebruik van een kobalt- en nikkelvrij kathodemateriaal, evenals een veilige vloeibare elektrolyt met een hoog vlampunt. Deze unieke combinatie van de kathode en elektrolyt toonde het vermogen om lithiummetaaldendrieten te onderdrukken tijdens het opladen, waardoor de ontvlambaarheid wordt verminderd, wat algemeen wordt beschouwd als een belangrijk nadeel voor het gebruik van lithiummetaal als anodemateriaal.

Deze ontdekking biedt een aanzienlijk potentieel voor batterijen voor elektrische voertuigen, bijvoorbeeld, waar zorgen zoals ontvlambaarheid, kosten en oplaadtijd spelen een rol. Huidige tests tonen aan dat de batterij, die is geconfigureerd voor hoog vermogen, minder dan vijf minuten nodig heeft om een ​​lading van 80 procent te bereiken. Gecombineerd met de relatief lage kosten van de inkoop van de materialen, het doel van snel opladen, goedkope elektrische voertuigen werkelijkheid kunnen worden.

In de snel evoluerende arena van vliegende voertuigen en elektrische vliegtuigen, toegang hebben tot batterijen met een zeer hoge vermogensdichtheid, die een stroombelasting snel kan schalen, is kritisch. Wanneer geoptimaliseerd voor deze factor, dit nieuwe batterijontwerp overschrijdt meer dan 10, 000 W/L, beter presteren dan de krachtigste lithium-ionbatterijen die er zijn. Aanvullend, onze tests hebben aangetoond dat deze batterij kan worden ontworpen voor een lange levensduur, waardoor het een optie is voor slimme elektriciteitsnettoepassingen en nieuwe energie-infrastructuren waar een lange levensduur en stabiliteit essentieel zijn.

Algemeen, deze batterij heeft de capaciteit getoond om bestaande lithium-ionbatterijen te overtreffen, niet alleen in de eerder genoemde toepassingen, maar kan ook worden geoptimaliseerd voor een reeks specifieke voordelen, inclusief:

• Lagere kosten:de actieve kathodematerialen kosten doorgaans minder omdat ze vrij zijn van kobalt, nikkel, en andere zware metalen. Deze materialen zijn doorgaans zeer arbeidsintensief om te vinden, en hebben ook zorgen geuit over hun duurzaamheid.
• Sneller opladen:minder dan vijf minuten nodig om een ​​oplaadstatus van 80 procent te bereiken (SOC), zonder afbreuk te doen aan de specifieke afvoercapaciteit.
• Hoge vermogensdichtheid:meer dan 10, 000 W/L. (hoger dan het vermogensniveau dat de lithium-ionbatterijtechnologie kan bereiken).
• Hoge energiedichtheid:meer dan 800 Wh/L, vergelijkbaar met de ultramoderne lithium-ionbatterij.
• Uitstekende energie-efficiëntie:meer dan 90 procent (berekend uit de verhouding van de energie om de batterij te ontladen en de energie om de batterij op te laden).
• Lage ontvlambaarheid van elektrolyten

Van lab tot industrie met automotive, elektrolyt- en batterijfabrikanten

Om deze nieuwe batterij te verplaatsen van verkennend onderzoek in een vroeg stadium naar commerciële ontwikkeling, IBM Research werkt samen met Mercedes-Benz Research and Development North America, Centraal glas, een van de beste leveranciers van batterij-elektrolyten ter wereld, en Sidus, een batterijfabrikant, om een ​​nieuw ecosysteem voor batterijontwikkeling van de volgende generatie te creëren. Terwijl de plannen voor de grotere ontwikkeling van deze batterij zich nog in de verkennende fase bevinden, we hopen dat dit ontluikende ecosysteem zal helpen om deze batterijen in de praktijk te brengen.

Materialen sneller ontdekken met AI

Vooruit gaan, het team heeft ook een techniek voor kunstmatige intelligentie (AI) geïmplementeerd, semantische verrijking genaamd, om de batterijprestaties verder te verbeteren door veiligere en hoogwaardigere materialen te identificeren. Machine learning-technieken gebruiken om menselijke onderzoekers toegang te geven tot inzichten uit miljoenen gegevenspunten om hun hypothese en volgende stappen te informeren, onderzoekers kunnen het tempo van innovatie in dit belangrijke vakgebied versnellen.

Voortbouwend op een geschiedenis van exploratie en innovatie in materiaalkunde

Door gebruik te maken van een multidisciplinaire benadering die materiaalwetenschap combineert, moleculaire chemie, Elektrotechniek, geavanceerde apparatuur van het batterijlaboratorium, en computersimulatie, het Battery Lab van IBM Research is gebaseerd op de geschiedenis van IBM Research op het gebied van vooruitstrevende materiaalwetenschap.

IBM Research's uitvinding van chemische amplificatie, bijvoorbeeld, hielp de groei en vooruitgang van de wet van Moore voort te stuwen - het inluiden van een tijdperk van snellere en goedkopere ontwikkeling van halfgeleiders dat nu de ruggengraat is van elektronische apparaten.

Toen we op zoek gingen naar oplossingen voor de uitdagingen die tegenwoordig met batterijen te maken hebben - en dus bepaalde obstakels voor hernieuwbare energie als geheel - maakten we gebruik van de sterke infrastructuur van IBM Research die ons in staat stelt te bestuderen hoe dingen werken op moleculair en atomair niveau. Deze basis heeft ons leiderschap op een aantal gebieden voortgestuwd.

Atoomkrachtmicroscopie, bijvoorbeeld, werd gepionierd en uitgevonden door IBM-onderzoekers. Deze methode heeft talloze wetenschappers in staat gesteld, inclusief ons team dat nieuwe batterijtechnologie bouwt, om de krachten en bewegingen tussen materialen op ongelooflijk nauwkeurige niveaus te bestuderen.

Door deze materiaalinnovatie en expertise in katalyse te combineren voor toepassingen variërend van kunststofrecycling tot halfgeleiderfabricage - in combinatie met een diepgaand begrip van chemische mechanismen - kon het team binnen het Battery Lab bij IBM Research deze opwindende nieuwe batterijtechnologie toepassen.