I dag, IBM Research bygger på en lång historia av materialvetenskaplig innovation för att avslöja en ny batterifyndighet. Denna nya forskning kan hjälpa till att eliminera behovet av tungmetaller vid batteriproduktion och förändra långsiktigt hållbarheten för många delar av vår energiinfrastruktur.

Som batteridrivna alternativ för allt från fordon till smarta energinät utforskas, det finns fortfarande betydande oro kring hållbarheten hos tillgänglig batteriteknik.

Många batterimaterial, inklusive tungmetaller som nickel och kobolt, utgör enorma miljö- och humanitära risker. Kobolt i synnerhet, som till stor del är tillgänglig i centrala Afrika, har utsatts för vårdslöshet och utnyttjande av utvinning.

Med hjälp av tre nya och olika egna material, som aldrig tidigare har registrerats som kombinerade i ett batteri, vårt team på IBM Research har upptäckt en kemi för ett nytt batteri som inte använder tungmetaller eller andra ämnen med hänsyn till källor.

Materialet för detta batteri kan utvinnas ur havsvatten, lägga grunden för mindre invasiva inköpstekniker än nuvarande materialbrytningsmetoder.

Lika lovande som det nya batteriets sammansättning är dess prestanda. I inledande tester, det visade sig att det kan optimeras för att överträffa litiumjonbatteriernas kapacitet i ett antal enskilda kategorier inklusive lägre kostnader, snabbare laddningstid, högre effekt och energitäthet, stark energieffektivitet och låg brandfarlighet.

Ny batteridesign kan överträffa litiumjon över flera hållbara tekniker

Upptäckt i IBM Research's Battery Lab, denna design använder ett kobolt- och nickelfritt katodmaterial, samt en säker flytande elektrolyt med hög flampunkt. Denna unika kombination av katoden och elektrolyten visade en förmåga att undertrycka litiummetaldendriter under laddning, vilket minskar brandfarligheten, vilket allmänt anses vara en betydande nackdel för användningen av litiummetall som ett anodmaterial.

Denna upptäckt har en betydande potential för elbatterier, till exempel, där oro som brandfarlighet, kostnad och laddningstid spelar in. Nuvarande tester visar att det krävs mindre än fem minuter för att batteriet - konfigurerat för hög effekt - ska nå 80 procent laddning. I kombination med den relativt låga kostnaden för att köpa material, målet med en snabbladdning, lågpris elbil kan bli verklighet.

I den snabbt utvecklande arenan för flygande fordon och elflygplan, ha tillgång till batterier med mycket hög effekttäthet, som snabbt kan skala en effektbelastning, är kritisk. När den är optimerad för denna faktor, denna nya batteridesign överstiger mer än 10, 000 W/L, överträffar de mest kraftfulla litiumjonbatterier som finns. Dessutom, våra tester har visat att detta batteri kan vara konstruerat för en lång livscykel, vilket gör det till ett alternativ för smarta elnätstillämpningar och nya energiinfrastrukturer där livslängd och stabilitet är avgörande.

Övergripande, detta batteri har visat förmågan att överträffa befintliga litiumjonbatterier inte bara i de tidigare listade applikationerna, men kan också optimeras för en rad specifika fördelar, Inklusive:

• Lägre kostnad:De aktiva katodmaterialen tenderar att kosta mindre eftersom de är fria från kobolt, nickel, och andra tungmetaller. Dessa material är vanligtvis mycket resurskrävande att källa till, och har också väckt oro över deras hållbarhet.
• Snabbare laddning:Mindre än fem minuter krävs för att nå 80 % laddningstillstånd (SOC), utan att äventyra den specifika urladdningskapaciteten.
• Hög effekttäthet:Mer än 10, 000 W/L. (överskrider den effektnivå som litiumjonbatteritekniken kan uppnå).
• Hög energitäthet:Mer än 800 Wh/L, jämförbar med det toppmoderna litiumjonbatteriet.
• Utmärkt energieffektivitet:Mer än 90 procent (beräknat från förhållandet mellan energi och urladdning av batteriet över energin för att ladda batteriet).
• Låg brandfarlighet av elektrolyter

Från lab till industri med fordon, elektrolyt- och batteritillverkare

För att flytta detta nya batteri från tidigt stadium av undersökande forskning till kommersiell utveckling, IBM Research har samarbetat med Mercedes-Benz Research and Development North America, Centralt glas, en av de bästa batterielektrolytleverantörerna i världen, och Sidus, en batteritillverkare, för att skapa ett nytt nästa generations ekosystem för batteriutveckling. Även om planerna för den större utvecklingen av detta batteri fortfarande är i undersökningsfasen, vår förhoppning är att detta spirande ekosystem hjälper till att förverkliga dessa batterier.

Snabbare materialupptäckt med AI

Går vidare, laget har också implementerat en artificiell intelligens (AI) teknik som kallas semantisk berikning för att ytterligare förbättra batteriets prestanda genom att identifiera säkrare och högre prestanda material. Med hjälp av maskininlärningstekniker för att ge mänskliga forskare tillgång till insikter från miljontals datapunkter för att informera deras hypotes och nästa steg, forskare kan påskynda innovationstakten inom detta viktiga studieområde.

Bygga vidare på en historia av prospektering och innovation inom materialvetenskap

Med ett tvärvetenskapligt tillvägagångssätt som kombinerar materialvetenskap, molekylär kemi, ellära, avancerad batterilabbutrustning, och datasimulering, Battery Lab på IBM Research bygger på IBM Researchs historia om avancerad materialvetenskap.

IBM Researchs uppfinning av kemisk amplifiering, till exempel, hjälpte till att driva tillväxten och utvecklingen av Moores lag - inledde en era av snabbare och billigare halvledarutveckling som nu är ryggraden i elektroniska enheter.

När vi bestämde oss för att utforska lösningar på de utmaningar som är förknippade med batterier idag - och därmed vissa hinder för förnybar energi som helhet - drog vi nytta av IBM Researchs starka infrastruktur som gör att vi kan studera hur saker fungerar på molekylär och atomisk nivå. Denna grund är det som har drivit vårt ledarskap på ett antal områden.

Atomkraftsmikroskopi, till exempel, var banbrytande och uppfanns av IBM -forskare. Denna metod har gjort det möjligt för otaliga forskare, inklusive vårt team som bygger ny batteriteknik, att studera krafterna och rörelserna mellan material på otroligt exakta nivåer.

Genom att kombinera denna materialinnovation och expertis inom katalys för applikationer som sträcker sig från plaståtervinning till halvledartillverkning - tillsammans med en djup förståelse för kemiska mekanismer - gjorde det möjligt för teamet inom Battery Lab på IBM Research att ta till sig denna spännande nya batteriteknik.