Un nuevo descubrimiento de baterías de IBM podría ayudar a eliminar la necesidad de metales pesados en la producción de baterías y transformar la sostenibilidad a largo plazo de muchos elementos de la infraestructura energética actual
A medida que se exploran alternativas que funcionan con baterías para todo, desde vehículos hasta redes de energía inteligentes, sigue habiendo preocupaciones importantes sobre la sostenibilidad de las tecnologías de batería disponibles.
Muchos materiales de batería, incluidos los metales pesados como el níquel y el cobalto, presentan enormes riesgos ambientales y humanitarios. El cobalto en particular, que está ampliamente disponible en África central, ha sido criticado por prácticas de extracción descuidadas y de explotación.
Utilizando tres materiales patentados nuevos y diferentes, que nunca antes se habían registrado como combinados en una batería, el equipo de IBM Research descubrió una química para una batería nueva que no utiliza metales pesados u otras sustancias con problemas de abastecimiento.
Los materiales para esta batería se pueden extraer del agua de mar, sentando las bases para técnicas de abastecimiento menos invasivas que los métodos actuales de extracción de materiales.
Figura 1. Los investigadores de IBM trabajan en el Laboratorio de baterías de investigación de IBM para combinar y probar materiales y formulaciones únicos para tecnologías de batería más sostenibles.
Tan prometedor como la composición de esta nueva batería es su potencial de rendimiento. En las pruebas iniciales, demostró que puede optimizarse para superar las capacidades de las baterías de iones de litio en una serie de categorías individuales que incluyen costos más bajos, tiempo de carga más rápido, mayor densidad de energía y energía, alta eficiencia energética y baja inflamabilidad.
El nuevo diseño de la batería podría superar al ion de litio en varias tecnologías sostenibles
Descubierto en el Laboratorio de baterías de IBM Research, este diseño utiliza un material de cátodo libre de cobalto y níquel, así como un electrolito líquido seguro con un alto punto de inflamación. Esta combinación única del cátodo y el electrolito demostró la capacidad de suprimir las dendritas de metal de litio durante la carga, reduciendo así la inflamabilidad, lo que se considera un inconveniente significativo para el uso de metal de litio como material anódico.
Este descubrimiento tiene un potencial significativo para las baterías de vehículos eléctricos, por ejemplo, donde entran en juego preocupaciones como la inflamabilidad, el costo y el tiempo de carga. Las pruebas actuales muestran que se requieren menos de cinco minutos para que la batería, configurada para alta potencia, alcance un estado de carga del 80 por ciento. Combinado con el costo relativamente bajo de obtener los materiales, el objetivo de un vehículo eléctrico de carga rápida y bajo costo podría convertirse en realidad.
En la arena en rápida evolución de los vehículos voladores y las aeronaves eléctricas, es fundamental tener acceso a baterías con una densidad de potencia muy alta, que puede escalar una carga de energía rápidamente. Cuando está optimizado para este factor, este nuevo diseño de batería excede más de 10,000 W/L, superando a las baterías de iones de litio más potentes disponibles. Además, nuestras pruebas han demostrado que esta batería puede diseñarse para un ciclo de vida útil prolongado, lo que la convierte en una opción para aplicaciones de redes eléctricas inteligentes y nuevas infraestructuras de energía donde la longevidad y la estabilidad son clave.
En general, esta batería ha demostrado la capacidad de superar a las baterías de iones de litio existentes no solo en las aplicaciones enumeradas anteriormente, sino que también puede optimizarse para una gama de beneficios específicos, que incluyen:
Menor costo: los materiales de cátodo activo tienden a costar menos porque están libres de cobalto, níquel y otros metales pesados. Por lo general, estos materiales requieren una gran cantidad de recursos y también han generado preocupaciones sobre su sostenibilidad.
Carga más rápida: se requieren menos de cinco minutos para alcanzar un estado de carga (SOC) del 80 por ciento, sin comprometer la capacidad de descarga específica.
Alta densidad de potencia: más de 10,000 W / L. (superior al nivel de potencia que puede alcanzar la tecnología de batería de iones de litio).
Alta densidad de energía: más de 800 Wh / L, comparable a la batería de iones de litio de última generación.
Excelente eficiencia energética: más del 90 por ciento (calculado a partir de la relación de la energía para descargar la batería sobre la energía para cargar la batería).
Baja inflamabilidad de los electrolitos.
Del laboratorio a la industria con fabricantes de automóviles, electrolitos y baterías
Para trasladar esta nueva batería de la investigación exploratoria de la etapa inicial al desarrollo comercial, IBM Research se ha unido a Mercedes-Benz Research and Development North America, Central Glass, uno de los principales proveedores de electrolitos de batería del mundo, y Sidus, un fabricante de baterías, a crear un nuevo ecosistema de desarrollo de baterías de próxima generación. Si bien los planes para el mayor desarrollo de esta batería aún están en la fase exploratoria, nuestra esperanza es que este ecosistema en ciernes ayude a hacer realidad estas baterías.
Acelerando el descubrimiento de materiales con IA
En el futuro, el equipo también implementó una técnica de inteligencia artificial (IA) llamada enriquecimiento semántico para mejorar aún más el rendimiento de la batería al identificar materiales más seguros y de mayor rendimiento. Utilizando técnicas de aprendizaje automático para dar a los investigadores humanos acceso a información de millones de puntos de datos para informar su hipótesis y los próximos pasos, los investigadores pueden acelerar el ritmo de la innovación en este importante campo de estudio.
Sobre la base de una historia de exploración e innovación en la ciencia de los materiales
Utilizando un enfoque multidisciplinario que combina la ciencia de los materiales, la química molecular, la ingeniería eléctrica, el equipo avanzado de laboratorio de baterías y la simulación por computadora, el Laboratorio de baterías de IBM Research se basa en la historia de avances de la ciencia de materiales de IBM Research.
La invención de IBM Research de la amplificación química, por ejemplo, ayudó a impulsar el crecimiento y el avance de la Ley de Moore, marcando el comienzo de una era de desarrollo de semiconductores más rápido y más barato que ahora es la columna vertebral de los dispositivos electrónicos.
IBM Research comenta que: “Cuando nos propusimos explorar soluciones a los desafíos asociados con las baterías hoy en día, y por lo tanto ciertos obstáculos a la energía renovable en su conjunto, recurrimos a la sólida infraestructura de IBM Research que nos permite estudiar cómo funcionan las cosas a nivel molecular y atómico. Esta base es lo que ha impulsado nuestro liderazgo en varias áreas”.
Figura 2. Equipo de prueba de celda de monedas Maccor en el Laboratorio de baterías de investigación de IBM, que evalúa el rendimiento electroquímico de las celdas de monedas fabricadas internamente en el laboratorio.
“La microscopía de fuerza atómica, por ejemplo, fue pionera e inventada por investigadores de IBM. Este método ha permitido a innumerables científicos, incluido nuestro equipo que construye nueva tecnología de batería, estudiar las fuerzas y movimientos entre materiales a niveles increíblemente precisos”.
“La combinación de esta innovación de materiales y experiencia en catálisis para aplicaciones que van desde el reciclaje de plásticos hasta la fabricación de semiconductores, junto con una comprensión profunda de los mecanismos químicos, permitió al equipo dentro del Laboratorio de baterías de IBM Research implementar esta nueva y emocionante tecnología de baterías”.
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