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, il
reste des préoccupations importantes concernant la durabilité des technologies
de batterie 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, qui est
largement disponible en Afrique centrale, a été critiqué pour ses pratiques
d'extraction négligentes et d'exploitation. 1
À l'aide de trois matériaux propriétaires nouveaux et
différents, qui n'ont jamais été enregistrés 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 avec des
problèmes d'approvisionnement.
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| Les chercheurs d'IBM travaillent au IBM Research Battery Lab pour combiner et tester des matériaux et des formulations uniques pour des technologies de batterie plus durables. |
Les matériaux de cette batterie peuvent être extraits de l'eau
de mer, jetant ainsi 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 performance. Lors des tests initiaux, il a
été prouvé qu'il pouvait être optimisé pour dépasser les capacités des
batteries lithium-ion dans un certain nombre de catégories individuelles,
notamment des coûts plus bas, un temps de charge plus rapide, une puissance et
une densité d'énergie plus élevées, une efficacité énergétique élevée et une
faible inflammabilité.
La nouvelle conception de la batterie pourrait surpasser
le lithium-ion dans plusieurs technologies durables
Découverte 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 la cathode et de l'électrolyte a démontré sa 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.
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| Un système de spectroscopie 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. |
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 jeu. Les tests
actuels montrent que moins de cinq minutes sont nécessaires pour que la
batterie - configurée pour une puissance élevée - atteigne un état de charge de
80%. Combiné au coût relativement faible de l'approvisionnement en
matériaux, l'objectif d'un véhicule électrique à faible coût et à charge rapide
pourrait devenir une réalité.
Dans le domaine en évolution rapide des véhicules volants et
des avions électriques, il est essentiel d'avoir accès à des batteries à très
haute densité de puissance, qui peuvent rapidement adapter une charge
électrique. Lorsqu'elle est optimisée pour ce facteur, cette nouvelle
conception de batterie dépasse plus de 10 000 W / L, surpassant les batteries
lithium-ion les plus puissantes disponibles. De plus, nos tests ont montré
que cette batterie peut être conçue pour un cycle de vie prolongé, ce qui en
fait une option pour les applications de réseau électrique intelligent et les
nouvelles infrastructures énergétiques où la longévité et la stabilité sont
essentielles.
Dans l'ensemble, cette batterie a démontré sa capacité à
surpasser les batteries lithium-ion existantes non seulement dans les
applications énumérées précédemment, mais peut également être optimisée pour
une gamme d'avantages spécifiques, notamment:
- Coût
inférieur: les matériaux de cathode active ont tendance à
coûter moins cher car ils sont exempts de cobalt, de nickel et d'autres
métaux lourds. Ces matériaux sont généralement très gourmands en
ressources à approvisionner, et ont également soulevé des préoccupations
quant à leur durabilité.
- Charge
plus rapide: moins de cinq minutes nécessaires pour atteindre un
état de charge (SOC) à 80%, sans compromettre la capacité de décharge
spécifique.
- Haute
densité de puissance : plus de 10 000 W / L. (dépassant le niveau
de puissance que la technologie de la batterie lithium-ion peut
atteindre).
- Haute
densité d'énergie : plus de 800 Wh / L, comparable à la batterie
lithium-ion de pointe.
- Excellente
efficacité énergétique: plus de 90 pour cent (calculé à partir du
rapport de l'énergie pour décharger la batterie sur l'énergie pour charger
la batterie).
- Faible
inflammabilité des électrolytes
Du laboratoire à l'industrie avec les fabricants
d'automobiles, d'électrolytes et de batteries
Pour faire passer cette nouvelle batterie de la recherche
exploratoire à un stade précoce au développement commercial, IBM Research s'est
associé à Mercedes-Benz Research and Development North America, Central Glass,
l'un des principaux fournisseurs d'électrolytes 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 à plus grande échelle 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
Pour aller de l'avant, 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 permettre aux chercheurs humains d'accéder à
des informations à partir 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'étude.
S'appuyer sur une histoire d'exploration et d'innovation
en science des matériaux
Utilisant une approche multidisciplinaire combinant la
science des matériaux, la chimie moléculaire, l'ingénierie électrique, des
équipements de laboratoire de batterie avancés et la simulation par ordinateur,
le Battery Lab d'IBM Research s'appuie sur l'histoire d'IBM Research dans
l'avancement de la science des matériaux.
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| Maccor Coin Cell Test Equipment dans l'IBM Research Battery Lab, qui évalue les performances électrochimiques des piles bouton fabriquées en interne dans le laboratoire. |
Par exemple, l'invention de l'amplification chimique par IBM
Research a contribué à propulser la croissance et l'avancement de la loi de
Moore, marquant le début d'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 à
l'énergie renouvelable dans son 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.
La microscopie à force atomique, par exemple, a été lancée
et inventée par des chercheurs d'IBM. Cette méthode a permis à
d'innombrables scientifiques, dont notre équipe qui construit une nouvelle
technologie de batterie, d'étudier les forces et les mouvements entre les matériaux
à des niveaux incroyablement précis.
La combinaison de cette innovation des matériaux et de
l'expertise en catalyse pour des applications allant du recyclage des
plastiques à la fabrication de semi-conducteurs - couplée à une compréhension
approfondie des mécanismes chimiques - a permis à l'équipe du Battery Lab d'IBM
Research d'apporter cette nouvelle technologie de batterie passionnante.
##The
Financial Times: https://www.ft.com/content/c6909812-9ce4-11e9-9c06-a4640c9feebb
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