Hoje, A IBM Research está construindo uma longa história de inovação na ciência de materiais para revelar uma nova descoberta de bateria. Essa nova pesquisa pode ajudar a eliminar a necessidade de metais pesados ​​na produção de baterias e transformar a sustentabilidade de longo prazo de muitos elementos de nossa infraestrutura de energia.

Como alternativas movidas a bateria para tudo, desde veículos a redes de energia inteligentes são exploradas, permanecem preocupações significativas em torno da sustentabilidade das tecnologias de bateria disponíveis.

Muitos materiais de bateria, incluindo metais pesados, como níquel e cobalto, representam enormes riscos ambientais e humanitários. Cobalto em particular, que está amplamente disponível na África central, tem sido criticada por práticas de extração descuidadas e exploradoras.

Usando três materiais proprietários novos e diferentes, que nunca antes foram gravados como sendo combinados em uma bateria, nossa equipe no IBM Research descobriu uma química para uma nova bateria que não usa metais pesados ​​ou outras substâncias com preocupações de abastecimento.

Os materiais para esta bateria podem ser extraídos da água do mar, estabelecendo as bases para técnicas de fornecimento menos invasivas do que os métodos atuais de mineração de materiais.

Tão promissor quanto a composição desta nova bateria é seu potencial de desempenho. Nos testes iniciais, provou que pode ser otimizado para superar as capacidades das baterias de íon-lítio em uma série de categorias individuais, incluindo custos mais baixos, tempo de carregamento mais rápido, maior potência e densidade de energia, forte eficiência energética e baixa inflamabilidade.

O novo design da bateria pode superar o íon-lítio em várias tecnologias sustentáveis

Descoberto no Laboratório de bateria da IBM Research, este projeto usa um material catódico livre de cobalto e níquel, bem como um eletrólito líquido seguro com um alto ponto de fulgor. Esta combinação única de cátodo e eletrólito demonstrou uma capacidade de suprimir dendritos de metal de lítio durante o carregamento, reduzindo assim a inflamabilidade, o que é amplamente considerado uma desvantagem significativa para o uso de metal de lítio como um material de ânodo.

Esta descoberta tem um potencial significativo para baterias de veículos elétricos, por exemplo, onde questões como inflamabilidade, custo e tempo de cobrança entram em jogo. Os testes atuais mostram que menos de cinco minutos são necessários para que a bateria - configurada para alta potência - alcance 80 por cento do estado de carga. Combinado com o custo relativamente baixo de obtenção dos materiais, o objetivo de um carregamento rápido, veículo elétrico de baixo custo pode se tornar uma realidade.

Na arena de rápida evolução de veículos voadores e aeronaves elétricas, ter acesso a baterias com densidade de potência muito alta, que pode escalar uma carga de energia rapidamente, é crítico. Quando otimizado para este fator, este novo design de bateria excede mais de 10, 000 W / L, superando o desempenho das baterias de íon de lítio mais potentes disponíveis. Adicionalmente, nossos testes mostraram que esta bateria pode ser projetada para um longo ciclo de vida, tornando-o uma opção para aplicações de redes elétricas inteligentes e novas infraestruturas de energia onde longevidade e estabilidade são fundamentais.

Geral, esta bateria mostrou a capacidade de superar as baterias de íon de lítio existentes, não apenas nas aplicações listadas anteriormente, mas também pode ser otimizado para uma série de benefícios específicos, Incluindo:

• Custo mais baixo:os materiais do cátodo ativo tendem a custar menos porque são livres de cobalto, níquel, e outros metais pesados. Esses materiais são normalmente de origem muito intensiva em recursos, e também levantaram preocupações sobre sua sustentabilidade.
• Carregamento mais rápido:menos de cinco minutos necessários para atingir um estado de carga de 80 por cento (SOC), sem comprometer a capacidade de descarga específica.
• Densidade de alta potência:mais de 10, 000 W / L. (excedendo o nível de energia que a tecnologia de bateria de íon de lítio pode atingir).
• Densidade de alta energia:Mais de 800 Wh / L, comparável à bateria de íon de lítio de última geração.
• Excelente eficiência energética:Mais de 90 por cento (calculado a partir da proporção da energia para descarregar a bateria sobre a energia para carregar a bateria).
• Baixa inflamabilidade de eletrólitos

Do laboratório à indústria com automotivo, fabricantes de eletrólitos e baterias

Para mover esta nova bateria da pesquisa exploratória em estágio inicial para o desenvolvimento comercial, A IBM Research se juntou à Mercedes-Benz Research and Development na América do Norte, Vidro Central, um dos principais fornecedores de eletrólitos de bateria do mundo, e Sidus, um fabricante de bateria, para criar um novo ecossistema de desenvolvimento de bateria de próxima geração. Embora os planos para o maior desenvolvimento desta bateria ainda estejam em fase exploratória, nossa esperança é que esse ecossistema emergente ajude a transformar essas baterias em realidade.

Acelerando a descoberta de materiais com IA

Seguindo em frente, a equipe também implementou uma técnica de inteligência artificial (IA) chamada enriquecimento semântico para melhorar ainda mais o desempenho da bateria, identificando materiais mais seguros e de alto desempenho. Usando técnicas de aprendizado de máquina para dar aos pesquisadores humanos acesso a insights de milhões de pontos de dados para informar suas hipóteses e próximas etapas, os pesquisadores podem acelerar o ritmo da inovação neste importante campo de estudo.

Construindo uma história de exploração e inovação na ciência dos materiais

Usando uma abordagem multidisciplinar combinando a ciência dos materiais, química molecular, Engenharia elétrica, equipamento avançado de laboratório de bateria, e simulação de computador, o Laboratório de bateria da IBM Research baseia-se na história da ciência de materiais avançada da IBM Research.

A invenção da amplificação química da IBM Research, por exemplo, ajudou a impulsionar o crescimento e o avanço da Lei de Moore - inaugurando uma era de desenvolvimento de semicondutores mais rápido e barato que agora é a espinha dorsal dos dispositivos eletrônicos.

Quando nos propusemos a explorar soluções para os desafios associados às baterias hoje - e, portanto, certos obstáculos para a energia renovável como um todo - nos valemos da forte infraestrutura da IBM Research que nos permite estudar como as coisas funcionam em um nível molecular e atômico. Essa base é o que impulsionou nossa liderança em várias áreas.

Força atômica microscópica, por exemplo, foi criado e inventado por pesquisadores da IBM. Este método permitiu a inúmeros cientistas, incluindo nossa equipe de construção de nova tecnologia de bateria, para estudar as forças e os movimentos entre os materiais em níveis incrivelmente precisos.

A combinação dessa inovação de materiais e experiência em catálise para aplicações que vão desde a reciclagem de plásticos até a fabricação de semicondutores - juntamente com um profundo conhecimento dos mecanismos químicos - permitiu que a equipe do Laboratório de Baterias da IBM Research trouxesse essa nova tecnologia de bateria empolgante.