211service.com
IBM investeert in batterijonderzoek
IBM Onderzoek begint een ambitieus project waarvan het hoopt dat het binnen de komende vijf jaar zal leiden tot de commercialisering van batterijen die 10 keer zoveel energie opslaan als nu. Het bedrijf gaat samenwerken met Amerikaanse nationale laboratoria om een veelbelovende maar controversiële technologie te ontwikkelen die gebruik maakt van energierijk maar licht ontvlambaar lithiummetaal om te reageren met zuurstof in de lucht. De beloning, zegt het bedrijf, zal een lichtgewicht, krachtige en oplaadbare batterij zijn voor het elektriciteitsnet en de elektrificatie van transport.
Waterdicht vermogen: Deze beschermende behuizing omhult een functionerende lithium-metaal batterij-elektrode, zonder water maar laat lithiumionen door. Het maakt deel uit van een prototype batterij gemaakt door PolyPlus Battery uit Berkeley, CA.
Lithium-metaal-luchtbatterijen kunnen een enorme hoeveelheid energie opslaan - in theorie meer dan 5.000 wattuur per kilogram. Dat is meer dan tien keer zoveel als de krachtige lithium-ionbatterijen van vandaag, en meer dan een andere klasse van apparaten voor energieopslag: brandstofcellen. In plaats van een tweede reactant in de cel te bevatten, reageren deze batterijen met zuurstof in de lucht die naar behoefte wordt aangezogen, waardoor ze lichtgewicht en compact zijn.
IBM streeft naar de risicovolle technologie in plaats van lithium-ionbatterijen, omdat het de potentie heeft om energiedichtheden te bereiken die hoog genoeg zijn om het transportsysteem te veranderen, zegt IBM. Chandrasekhar Narayan , manager van wetenschap en technologie bij IBM's Almaden Research Center, in San Jose, CA. Met alle voorzienbare ontwikkelingen zullen lithium-ionbatterijen slechts ongeveer twee keer beter worden dan ze nu zijn, zegt hij. Om echt een impact te hebben op transport en op het net, heb je een hogere energiedichtheid nodig. Een van de doelen van het project, zegt Narayan, is een lichtgewicht batterij van 500 mijl voor een gezinsauto. De Chevy Volt 40 mijl kan rijden voordat de benzinetank wordt gebruikt, en Model S van Tesla Motors lijn kan tot 300 mijl reizen zonder op te laden.
Een van de grootste uitdagingen bij het maken van lithium-metaal-luchtbatterijen is dat lucht niet alleen zuurstof is, zegt Jeff Dahn , een professor in materiaalkunde aan de Dalhousie University, in Nova Scotia. Waar lucht is, is vocht, en vochtigheid is de dood van lithium, zegt Dahn. Wanneer lithiummetaal water ontmoet, ontstaat er een explosieve reactie. Deze batterijen hebben beschermende membranen nodig die water uitsluiten maar zuurstof doorlaten, en die stabiel zijn in de tijd.
IBM heeft momenteel geen onderzoeksprogramma's voor batterijen. Narayan zegt echter dat IBM de expertise heeft die nodig is om de wetenschappelijke problemen aan te pakken. Naast Oak Ridge gaat IBM samenwerken met de nationale laboratoria van Lawrence Berkeley, Lawrence Livermore, Argonne en Pacific Northwest. Het bedrijf en zijn medewerkers werken momenteel aan een voorstel voor financiering van het Amerikaanse ministerie van Energie onder het Advanced Research Projects Agency-Energy.
Onderzoek naar lithium-metaalbatterijen liep ongeveer 20 jaar geleden vast. In 1989 riep het Canadese bedrijf Moli Energy zijn oplaadbare lithium-metaalbatterijen terug, die geen lucht gebruikten maar een meer traditionele kathode, nadat één ervan in brand vloog; het incident leidde tot juridische stappen en het bedrijf werd failliet verklaard. Kort daarna bracht Sony de eerste oplaadbare lithium-ionbatterijen op de markt, die veiliger waren, en het onderzoek naar lithium-metaalelektroden kwam bijna tot stilstand. (Na de herstructurering heroriënteerde Moli Energy haar onderzoeksinspanningen en verkoopt nu lithium-ionbatterijen onder de naam) Molicel .) Slechts een handvol laboratoria over de hele wereld, inclusief die van PolyPlus-batterij , in Berkeley, CA, Japan AIST , en St. Andrews Universiteit , in Schotland, werken momenteel aan lithium-luchtbatterijen.
Veiligheidsproblemen met lithium-metaalbatterijen kunnen optreden wanneer ze worden opgeladen. Als je oplaadt en ontlaadt, moet je het metaal steeds opnieuw galvaniseren en strippen, zegt Dahn, die geen bijdrage levert aan het IBM-project. Na verloop van tijd, net als bij een lithium-ionbatterij, wordt het lithium-metaaloppervlak ruw, wat kan leiden tot thermische runaway, wanneer de batterij letterlijk brandt totdat alle reactanten erin zijn opgebruikt. Maar Narayan zegt dat lithium-luchtbatterijen inherent veiliger zijn dan eerder ontwikkelde lithium-metaalbatterijen en de huidige lithium-ionbatterijen omdat er slechts één van de reactanten in de cel zit. Een lithium-luchtcel heeft lucht van buiten nodig, zegt Narayan. Je krijgt nooit een op hol geslagen reactie omdat de lucht beperkt is.
PolyPlus Battery werkt al ongeveer zes jaar aan lithium-metaal-lucht-technologie en heeft een aantal dramatische bewijzen van de levensvatbaarheid van de technologie: drijvend tussen anemoonvissen in een aquariumtank op het hoofdkantoor van het bedrijf, trekt een lithium-metaalbatterij zuurstof uit het zoute water naar een groene LED van stroom voorzien. Het bedrijf heeft ook een prototype batterij ontwikkeld die zuurstof uit de omgevingslucht haalt. Maar Steven Visco, oprichter en vice-president van onderzoek bij het bedrijf, zegt dat lithium-metaal-luchtbatterijen nog een jonge technologie zijn die nog niet klaar is om gecommercialiseerd te worden.
Narayan van IBM wijst op twee resterende grote problemen met lithium-metaal-luchttechnologie. Ten eerste moet het ontwerp van de kathode worden geoptimaliseerd, zodat het lithiumoxide dat ontstaat wanneer zuurstof in de batterij wordt getrokken, de zuurstofinlaatkanalen niet blokkeert. Ten tweede zijn er betere katalysatoren nodig om de omgekeerde reactie aan te drijven die de batterij oplaadt.
Narayan zegt dat het pas over anderhalf jaar, nadat het onderzoek is begonnen, duidelijk zal zijn hoeveel geld en hoeveel tijd het project in beslag zal nemen. Hij schat dat het bedrijf ongeveer vijf jaar aan het project zal besteden. IBM zal de batterijen waarschijnlijk niet maken, maar de technologie in licentie geven aan fabrikanten.