Les chercheurs d'IBM travaillent dans l'IBM Research Battery Lab pour combiner et tester des matériaux et des formulations uniques pour des technologies de batterie plus durables. Crédit :IBM
Aujourd'hui, IBM Research s'appuie sur une longue histoire d'innovation en science des matériaux pour dévoiler une nouvelle découverte de batterie. Cette nouvelle recherche pourrait aider à éliminer le besoin de métaux lourds dans la production de batteries et à transformer la durabilité à long terme de nombreux éléments de notre infrastructure énergétique.
Alors que des alternatives alimentées par batterie pour tout, des véhicules aux réseaux énergétiques intelligents sont explorées, des inquiétudes importantes subsistent quant à la durabilité des technologies de batteries disponibles.
De nombreux matériaux de batterie, y compris les métaux lourds tels que le nickel et le cobalt, posent d'énormes risques environnementaux et humanitaires. Le cobalt en particulier, largement disponible en Afrique centrale, a été critiqué pour des pratiques d'extraction imprudentes et abusives.
En utilisant trois matériaux exclusifs nouveaux et différents, qui n'ont jamais été enregistrés auparavant comme étant combinés dans une batterie, notre équipe d'IBM Research a découvert une chimie pour une nouvelle batterie qui n'utilise pas de métaux lourds ou d'autres substances présentant des problèmes d'approvisionnement.
Les matériaux de cette batterie peuvent être extraits de l'eau de mer, jeter les bases de techniques d'approvisionnement moins invasives que les méthodes actuelles d'extraction de matériaux.
Tout aussi prometteur que la composition de cette nouvelle batterie est son potentiel de performances. Lors des premiers tests, il a prouvé qu'il peut être optimisé pour surpasser les capacités des batteries lithium-ion dans un certain nombre de catégories individuelles, y compris des coûts inférieurs, temps de charge plus rapide, puissance et densité d'énergie plus élevées, forte efficacité énergétique et faible inflammabilité.
La nouvelle conception de batterie pourrait surpasser le lithium-ion dans plusieurs technologies durables
Découvert dans le Battery Lab d'IBM Research, cette conception utilise un matériau de cathode sans cobalt et sans nickel, ainsi qu'un électrolyte liquide sûr avec un point d'éclair élevé. Cette combinaison unique de cathode et d'électrolyte a démontré une capacité à supprimer les dendrites de lithium métal pendant la charge, réduisant ainsi l'inflammabilité, ce qui est largement considéré comme un inconvénient important pour l'utilisation du lithium métal comme matériau d'anode.
Cette découverte recèle un potentiel important pour les batteries de véhicules électriques, par exemple, lorsque des problèmes tels que l'inflammabilité, le coût et le temps de charge entrent en ligne de compte. Les tests actuels montrent qu'il faut moins de cinq minutes à la batterie, configurée pour une puissance élevée, pour atteindre un état de charge de 80 %. Combiné avec le coût relativement faible de l'approvisionnement des matériaux, l'objectif d'une recharge rapide, véhicule électrique à bas prix pourrait devenir une réalité.
Dans le domaine en évolution rapide des véhicules volants et des avions électriques, avoir accès à des batteries à très haute densité de puissance, qui peut mettre à l'échelle une charge de puissance rapidement, est critique. Lorsqu'il est optimisé pour ce facteur, cette nouvelle conception de batterie dépasse plus de 10, 000 W/L, surpassant les batteries lithium-ion les plus puissantes disponibles. En outre, nos tests ont montré que cette batterie peut être conçue pour une longue durée de vie, ce qui en fait une option pour les applications de réseaux électriques intelligents et les nouvelles infrastructures énergétiques où la longévité et la stabilité sont essentielles.
Globalement, cette batterie a montré la capacité de surpasser les batteries lithium-ion existantes non seulement dans les applications répertoriées précédemment, mais peut également être optimisé pour une gamme d'avantages spécifiques, comprenant:
Un système de spectroscopie de masse électrochimique différentielle (DEMS) dans l'IBM Research Battery Lab, qui mesure la quantité de gaz qui s'est dégagée d'une cellule de batterie pendant les cycles de charge et de décharge. Crédit :IBM
Du laboratoire à l'industrie avec l'automobile, fabricants d'électrolytes et de batteries
Pour faire passer cette nouvelle batterie du stade initial de la recherche exploratoire au développement commercial, IBM Research s'est associé à Mercedes-Benz Research and Development North America, Verre central, l'un des principaux fournisseurs d'électrolyte de batterie au monde, et Sidus, un fabricant de batteries, pour créer un nouvel écosystème de développement de batteries de nouvelle génération. Alors que les plans pour le développement plus large de cette batterie sont encore en phase exploratoire, nous espérons que cet écosystème naissant contribuera à concrétiser ces batteries.
Accélérer la découverte de matériaux avec l'IA
Avancer, l'équipe a également mis en œuvre une technique d'intelligence artificielle (IA) appelée enrichissement sémantique pour améliorer encore les performances de la batterie en identifiant des matériaux plus sûrs et plus performants. En utilisant des techniques d'apprentissage automatique pour donner aux chercheurs humains accès à des informations provenant de millions de points de données pour éclairer leur hypothèse et les prochaines étapes, les chercheurs peuvent accélérer le rythme de l'innovation dans cet important domaine d'études.
S'appuyer sur une histoire d'exploration et d'innovation en science des matériaux
En utilisant une approche multidisciplinaire combinant la science des matériaux, chimie moléculaire, ingénierie électrique, équipement de laboratoire de batterie avancé, et simulation informatique, le Battery Lab d'IBM Research s'appuie sur l'histoire d'IBM Research en matière de progrès de la science des matériaux.
L'invention de l'amplification chimique par IBM Research, par exemple, a contribué à propulser la croissance et l'avancement de la loi de Moore, inaugurant une ère de développement de semi-conducteurs plus rapide et moins cher qui est maintenant l'épine dorsale des appareils électroniques.
Lorsque nous avons entrepris d'explorer des solutions aux défis associés aux batteries aujourd'hui - et donc à certains obstacles aux énergies renouvelables dans leur ensemble - nous nous sommes appuyés sur la solide infrastructure d'IBM Research qui nous permet d'étudier comment les choses fonctionnent au niveau moléculaire et atomique. Cette fondation est ce qui a propulsé notre leadership dans un certain nombre de domaines.
Microscopie à force atomique, par exemple, a été mis au point et inventé par des chercheurs d'IBM. Cette méthode a permis à d'innombrables scientifiques, y compris notre équipe de construction d'une nouvelle technologie de batterie, pour étudier les forces et les mouvements entre les matériaux à des niveaux incroyablement précis.
La combinaison de cette innovation dans les matériaux et de cette expertise en catalyse pour des applications allant du recyclage des plastiques à la fabrication de semi-conducteurs, associée à une compréhension approfondie des mécanismes chimiques, a permis à l'équipe du Battery Lab d'IBM Research de mettre à profit cette nouvelle technologie de batterie passionnante.
