Oggi, IBM Research sta basandosi su una lunga storia di innovazione nella scienza dei materiali per svelare una nuova scoperta sulle batterie. Questa nuova ricerca potrebbe aiutare a eliminare la necessità di metalli pesanti nella produzione di batterie e trasformare la sostenibilità a lungo termine di molti elementi della nostra infrastruttura energetica.

Mentre vengono esplorate alternative alimentate a batteria per tutto, dai veicoli alle reti energetiche intelligenti, permangono preoccupazioni significative sulla sostenibilità delle tecnologie delle batterie disponibili.

Molti materiali della batteria, compresi i metalli pesanti come nichel e cobalto, comportano enormi rischi ambientali e umanitari. Cobalto in particolare, che è ampiamente disponibile in Africa centrale, è stato preso di mira per pratiche di estrazione imprudenti e di sfruttamento.

Utilizzando tre nuovi e diversi materiali proprietari, che non sono mai stati registrati prima come combinati in una batteria, il nostro team di IBM Research ha scoperto una chimica per una nuova batteria che non utilizza metalli pesanti o altre sostanze con problemi di approvvigionamento.

I materiali per questa batteria possono essere estratti dall'acqua di mare, gettando le basi per tecniche di approvvigionamento meno invasive rispetto agli attuali metodi di estrazione dei materiali.

Altrettanto promettente come la composizione di questa nuova batteria è il suo potenziale prestazionale. Nelle prove iniziali, ha dimostrato che può essere ottimizzato per superare le capacità delle batterie agli ioni di litio in una serie di singole categorie, inclusi costi inferiori, tempo di ricarica più veloce, maggiore potenza e densità di energia, forte efficienza energetica e bassa infiammabilità.

Il nuovo design della batteria potrebbe superare le prestazioni degli ioni di litio in diverse tecnologie sostenibili

Scoperto nel Battery Lab di IBM Research, questo design utilizza un materiale catodico privo di cobalto e nichel, così come un elettrolita liquido sicuro con un alto punto di infiammabilità. Questa combinazione unica di catodo ed elettrolita ha dimostrato la capacità di sopprimere i dendriti metallici di litio durante la carica, riducendo così l'infiammabilità, che è ampiamente considerato un inconveniente significativo per l'uso del metallo di litio come materiale anodico.

Questa scoperta ha un potenziale significativo per le batterie dei veicoli elettrici, Per esempio, dove preoccupazioni come l'infiammabilità, entrano in gioco costi e tempi di ricarica. I test attuali mostrano che sono necessari meno di cinque minuti affinché la batteria, configurata per un'elevata potenza, raggiunga uno stato di carica dell'80%. In combinazione con il costo relativamente basso di approvvigionamento dei materiali, l'obiettivo di una ricarica rapida, veicolo elettrico a basso costo potrebbe diventare una realtà.

Nell'arena in rapida evoluzione dei veicoli volanti e degli aerei elettrici, avere accesso a batterie con densità di potenza molto elevata, che può scalare rapidamente un carico di potenza, è critico. Quando ottimizzato per questo fattore, questo nuovo design della batteria supera più di 10, 000 W/L, superando le più potenti batterie agli ioni di litio disponibili. Inoltre, i nostri test hanno dimostrato che questa batteria può essere progettata per un ciclo di lunga durata, rendendolo un'opzione per applicazioni di reti elettriche intelligenti e nuove infrastrutture energetiche in cui la longevità e la stabilità sono fondamentali.

Globale, questa batteria ha dimostrato la capacità di superare le attuali batterie agli ioni di litio non solo nelle applicazioni elencate in precedenza, ma può anche essere ottimizzato per una serie di vantaggi specifici, Compreso:

• Costo inferiore:i materiali a catodo attivo tendono a costare meno perché sono privi di cobalto, nichel, e altri metalli pesanti. Questi materiali sono in genere molto dispendiosi in termini di risorse da reperire, e hanno anche sollevato preoccupazioni sulla loro sostenibilità.
• Ricarica più rapida:meno di cinque minuti necessari per raggiungere uno stato di carica dell'80% (SOC), senza compromettere la capacità di scarico specifica.
• Densità di alta potenza:più di 10, 000 W/L. (superando il livello di potenza che la tecnologia delle batterie agli ioni di litio può raggiungere).
• Elevata densità di energia:più di 800 Wh/L, paragonabile alla moderna batteria agli ioni di litio.
• Eccellente efficienza energetica:oltre il 90% (calcolato dal rapporto tra l'energia per scaricare la batteria e l'energia per caricare la batteria).
• Bassa infiammabilità degli elettroliti

Dal laboratorio all'industria con l'automotive, produttori di elettroliti e batterie

Per spostare questa nuova batteria dalla ricerca esplorativa in fase iniziale allo sviluppo commerciale, IBM Research si è unita a Mercedes-Benz Research and Development North America, Vetro centrale, uno dei principali fornitori di elettroliti per batterie al mondo, e Sidu, un produttore di batterie, per creare un nuovo ecosistema di sviluppo delle batterie di nuova generazione. Mentre i piani per lo sviluppo più ampio di questa batteria sono ancora in fase esplorativa, la nostra speranza è che questo ecosistema in erba contribuisca a trasformare queste batterie in realtà.

Accelerare la scoperta dei materiali con l'AI

Andando avanti, il team ha anche implementato una tecnica di intelligenza artificiale (AI) chiamata arricchimento semantico per migliorare ulteriormente le prestazioni della batteria identificando materiali più sicuri e ad alte prestazioni. Utilizzando tecniche di apprendimento automatico per dare ai ricercatori umani l'accesso a informazioni da milioni di punti dati per informare le loro ipotesi e i prossimi passi, i ricercatori possono accelerare il ritmo dell'innovazione in questo importante campo di studio.

Basandosi su una storia di esplorazione e innovazione nella scienza dei materiali

Utilizzando un approccio multidisciplinare che combina la scienza dei materiali, chimica molecolare, ingegnere elettrico, attrezzatura avanzata del laboratorio della batteria, e simulazione al computer, il Battery Lab di IBM Research attinge alla storia di IBM Research di avanzare nella scienza dei materiali.

L'invenzione dell'amplificazione chimica di IBM Research, Per esempio, ha contribuito a promuovere la crescita e l'avanzamento della Legge di Moore, inaugurando un'era di sviluppo dei semiconduttori più rapido ed economico che ora è la spina dorsale dei dispositivi elettronici.

Quando abbiamo deciso di esplorare soluzioni alle sfide associate alle batterie odierne, e quindi ad alcuni ostacoli all'energia rinnovabile nel suo complesso, abbiamo attinto alla solida infrastruttura di IBM Research che ci consente di studiare come funzionano le cose a livello molecolare e atomico. Questa fondazione è ciò che ha spinto la nostra leadership in una serie di aree.

Microscopia a forza atomica, Per esempio, è stato sperimentato e inventato dai ricercatori IBM. Questo metodo ha permesso a innumerevoli scienziati, incluso il nostro team che costruisce una nuova tecnologia per le batterie, per studiare le forze e i movimenti tra i materiali a livelli incredibilmente precisi.

La combinazione di questa innovazione dei materiali e dell'esperienza nella catalisi per applicazioni che vanno dal riciclaggio della plastica alla fabbricazione di semiconduttori, insieme a una profonda conoscenza dei meccanismi chimici, ha consentito al team all'interno del Battery Lab di IBM Research di utilizzare questa nuova entusiasmante tecnologia delle batterie.