Fri for tungmetaller, nyt batteridesign kunne afhjælpe miljøhensyn

I dag, IBM Research bygger på en lang historie inden for materialevidenskabelig innovation for at afsløre et nyt batteri. Denne nye forskning kan hjælpe med at eliminere behovet for tungmetaller i batteriproduktion og omdanne den langsigtede bæredygtighed for mange elementer i vores energiinfrastruktur.

Efterhånden som batteridrevne alternativer til alt fra køretøjer til smarte energinet bliver udforsket, der er fortsat betydelige bekymringer omkring bæredygtigheden af ​​tilgængelige batteriteknologier.

Mange batterimaterialer, herunder tungmetaller såsom nikkel og kobolt, udgør enorme miljømæssige og humanitære risici. Især kobolt, som stort set er tilgængelig i det centrale Afrika, er kommet under beskydning for skødesløs og udnyttende ekstraktionspraksis.

Ved hjælp af tre nye og forskellige proprietære materialer, som aldrig før er blevet registreret som kombineret i et batteri, vores team hos IBM Research har opdaget en kemi til et nyt batteri, der ikke bruger tungmetaller eller andre stoffer med hensyn til indkøb.

Materialerne til dette batteri kan udvindes fra havvand, at lægge grunden til mindre invasive indkøbsteknikker end nuværende materialedriftsmetoder.

Lige så lovende som dette nye batteris sammensætning er dets præstationspotentiale. Ved indledende test, det viste sig, at det kan optimeres til at overgå mulighederne for lithium-ion-batterier i en række individuelle kategorier, herunder lavere omkostninger, hurtigere opladningstid, højere effekt og energitæthed, stærk energieffektivitet og lav antændelighed.

Nyt batteridesign kan udkonkurrere lithium-ion på tværs af flere bæredygtige teknologier

Opdaget i IBM Research's Battery Lab, dette design bruger et kobolt- og nikkelfrit katodemateriale, samt en sikker flydende elektrolyt med et højt flammepunkt. Denne unikke kombination af katoden og elektrolytten demonstrerede en evne til at undertrykke litiummetaldendritter under opladning, derved reducere antændelighed, hvilket i vid udstrækning betragtes som en væsentlig ulempe ved anvendelse af lithiummetal som anodemateriale.

Denne opdagelse rummer et betydeligt potentiale for elektriske bilbatterier, for eksempel, hvor bekymringer såsom brandbarhed, omkostninger og opladningstid spiller ind. Nuværende test viser, at der kræves mindre end fem minutter for at batteriet - konfigureret til høj effekt - når en opladningstilstand på 80 procent. Kombineret med de relativt lave omkostninger ved indkøb af materialerne, målet om en hurtig opladning, billig elbil kunne blive en realitet.

I den hurtigt udviklende arena for flyvende køretøjer og elektriske fly, have adgang til batterier med meget høj effektdensitet, som hurtigt kan skalere en effektbelastning, er kritisk. Når optimeret til denne faktor, dette nye batteridesign overstiger mere end 10, 000 W/L, overgår de mest kraftfulde lithium-ion-batterier, der findes. Derudover vores test har vist, at dette batteri kan være designet til en lang levetid, gør det til en mulighed for smarte elnetapplikationer og nye energiinfrastrukturer, hvor lang levetid og stabilitet er nøglen.

Samlet set, dette batteri har vist kapaciteten til at overgå eksisterende lithium-ion-batterier, ikke kun i de tidligere anførte applikationer, men kan også optimeres til en række specifikke fordele, inklusive:

• Lavere omkostninger:De aktive katodematerialer har en tendens til at koste mindre, fordi de er fri for kobolt, nikkel, og andre tungmetaller. Disse materialer er typisk meget ressourcekrævende til kilde, og har også rejst bekymringer over deres bæredygtighed.
• Hurtigere opladning:Mindre end fem minutter kræves for at nå en opladningstilstand på 80 procent (SOC), uden at gå på kompromis med den specifikke udledningskapacitet.
• Høj effekttæthed:Mere end 10, 000 W/L. (overstiger det effektniveau, som lithium-ion-batteriteknologi kan opnå).
• Høj energitæthed:Mere end 800 Wh/L, kan sammenlignes med det state-of-art lithium-ion batteri.
• Fremragende energieffektivitet:Mere end 90 procent (beregnet ud fra forholdet mellem energi til afladning af batteriet i forhold til energien til at oplade batteriet).
• Lav antændelighed af elektrolytter

Fra laboratorium til industri med bilindustrien, elektrolyt- og batteriproducenter

For at flytte dette nye batteri fra tidlig fase af eksplorativ forskning til kommerciel udvikling, IBM Research er gået sammen med Mercedes-Benz Research and Development North America, Centralt glas, en af ​​de bedste batterielektrolytleverandører i verden, og Sidus, en batteriproducent, at skabe et nyt næste generations batteriudviklingsøkosystem. Mens planerne for den større udvikling af dette batteri stadig er i den undersøgende fase, vores håb er, at dette spirende økosystem vil bidrage til at bringe disse batterier til virkelighed.

Fremskynde opdagelse af materialer med AI

Bevæger sig fremad, teamet har også implementeret en kunstig intelligens (AI) teknik kaldet semantisk berigelse for yderligere at forbedre batteriets ydeevne ved at identificere sikrere og materialer med højere ydeevne. Brug af maskinlæringsteknikker til at give menneskelige forskere adgang til indsigt fra millioner af datapunkter for at informere deres hypotese og næste trin, forskere kan fremskynde innovationshastigheden inden for dette vigtige fagområde.

Bygger på en historie med udforskning og innovation inden for materialevidenskab

Ved hjælp af en tværfaglig tilgang, der kombinerer materialevidenskab, molekylær kemi, Elektroteknik, avanceret batterilaboratorieudstyr, og computersimulering, batterilaboratoriet hos IBM Research trækker på IBM Research's historie om avanceret materialevidenskab.

IBM Researchs opfindelse af kemisk amplifikation, for eksempel, hjalp med at drive væksten og fremskridtet af Moores lov - indledte en æra med hurtigere og billigere halvlederudvikling, der nu er rygraden i elektroniske enheder.

Da vi satte os for at undersøge løsninger på de udfordringer, der er forbundet med batterier i dag - og dermed visse forhindringer for vedvarende energi som helhed - trak vi på IBM Researchs stærke infrastruktur, der giver os mulighed for at studere, hvordan tingene fungerer på molekylært og atomært niveau. Dette fundament er det, der har drevet vores lederskab på en række områder.

Atomkraftmikroskopi, for eksempel, blev banebrydende og opfundet af IBM -forskere. Denne metode har tilladt utallige forskere, herunder vores team, der bygger ny batteriteknologi, at studere kræfter og bevægelser mellem materialer på utroligt præcise niveauer.

Ved at kombinere dette materiales innovation og ekspertise inden for katalyse til applikationer lige fra plastgenanvendelse til halvlederfabrikation - kombineret med en dyb forståelse af kemiske mekanismer - gjorde teamet i Battery Lab hos IBM Research det muligt at bringe denne spændende nye batteriteknologi til livs.