211service.com
IBM investerar i batteriforskning
IBM Research påbörjar ett ambitiöst projekt som man hoppas ska leda till kommersialisering av batterier som lagrar 10 gånger så mycket energi som dagens inom de kommande fem åren. Företaget kommer att samarbeta med amerikanska nationella laboratorier för att utveckla en lovande men kontroversiell teknik som använder energität men mycket brandfarlig litiummetall för att reagera med syre i luften. Utdelningen, säger företaget, kommer att vara ett lätt, kraftfullt och laddningsbart batteri för elnätet och elektrifieringen av transporter.
Vattentät kraft: Detta skyddande hölje omsluter en fungerande litium-metallbatterielektrod, exklusive vatten men låter litiumjoner passera. Det är en del av ett prototypbatteri tillverkat av PolyPlus Battery i Berkeley, CA.
Litiummetall-luftbatterier kan lagra en enorm mängd energi – i teorin, mer än 5 000 wattimmar per kilogram. Det är mer än tio gånger så mycket som dagens högpresterande litiumjonbatterier och mer än en annan klass av energilagringsenheter: bränsleceller. Istället för att innehålla en andra reaktant inuti cellen, reagerar dessa batterier med syre i luften som dras in efter behov, vilket gör dem lätta och kompakta.
IBM eftersträvar den riskabla tekniken istället för litiumjonbatterier eftersom den har potential att nå tillräckligt höga energitätheter för att förändra transportsystemet, säger Chandrasekhar Narayan , chef för vetenskap och teknik vid IBM:s Almaden Research Center, i San Jose, CA. Med all förutsebar utveckling kommer litiumjonbatterier bara att bli ungefär två gånger bättre än de är idag, säger han. För att verkligen påverka transporter och nätet behöver du högre energitäthet än så. Ett av projektets mål, säger Narayan, är ett lätt 500 mils batteri för en familjebil. De Chevy Volt kan gå 40 miles innan du använder bensintanken, och Tesla Motors Model S Line kan resa upp till 300 miles utan laddning.
En av de största utmaningarna med att tillverka litiummetall-luftbatterier är att luft inte bara är syre, säger Jeff Dahn , professor i materialvetenskap vid Dalhousie University, i Nova Scotia. Där det finns luft finns det fukt och fuktighet är litiums död, säger Dahn. När litiummetall möter vatten uppstår en explosiv reaktion. Dessa batterier kommer att kräva skyddande membran som utesluter vatten men som släpper in syre och är stabila över tiden.
IBM har för närvarande inga batteriforskningsprogram på plats. Narayan säger dock att IBM har den expertis som behövs för att ta itu med de vetenskapliga problemen. Förutom Oak Ridge kommer IBM att samarbeta med Lawrence Berkeley, Lawrence Livermore, Argonne och Pacific Northwest nationella labb. Företaget och dess samarbetspartners arbetar för närvarande på ett förslag till finansiering från U.S. Department of Energy under Advanced Research Projects Agency-Energy.
Forskningen om litium-metallbatterier stannade för cirka 20 år sedan. 1989 återkallade det kanadensiska företaget Moli Energy sina laddningsbara litium-metallbatterier, som inte använde luft utan en mer traditionell katod, efter att en fattat eld; händelsen ledde till rättsliga åtgärder och företaget försattes i konkurs. Strax efter lanserade Sony de första uppladdningsbara litiumjonbatterierna, som var säkrare, och forskningen om litiummetallelektroder avtog nästan till stopp. (Efter omstruktureringen fokuserade Moli Energy om sina forskningsinsatser och säljer nu litiumjonbatterier under namnet Molicel .) Endast en handfull labb runt om i världen, inklusive de på PolyPlus batteri , i Berkeley, CA, Japan AIST , och St Andrews University , i Skottland, arbetar för närvarande med litium-luftbatterier.
Säkerhetsproblem med litiummetallbatterier kan uppstå när de laddas om. När man laddar och laddar ur måste man galvanisera och strippa metallen om och om igen, säger Dahn, som inte är en bidragsgivare till IBM-projektet. Med tiden, precis som i ett litiumjonbatteri, blir litiummetallytan sträv, vilket kan leda till termisk rusning, när batteriet bokstavligen brinner tills alla reaktanter inuti är förbrukade. Men Narayan säger att litium-luftbatterier i sig är säkrare än tidigare utvecklade litium-metallbatterier såväl som dagens litiumjonbatterier eftersom endast en av reaktanterna finns i cellen. En litium-luftcell behöver luft utifrån, säger Narayan. Du kommer aldrig att få en skenande reaktion eftersom luften är begränsad.
PolyPlus Battery har arbetat med litiummetall-luft-teknik i ungefär sex år och har några dramatiska bevis på teknikens livskraft: flytande bland clownfiskar i en akvarietank vid företagets huvudkontor, drar ett litiummetallbatteri in syre från saltvattnet till driva en grön lysdiod. Företaget har också utvecklat ett prototypbatteri som drar syre från omgivande luft. Men Steven Visco, grundare och vice vd för forskning på företaget, säger att litiummetall-luftbatterier fortfarande är en ung teknik som inte är redo att kommersialiseras.
IBMs Narayan pekar på två återstående stora problem med litiummetall-luftteknik. För det första måste katodens design optimeras så att litiumoxiden som bildas när syre dras in i batteriet inte blockerar syreintagskanalerna. För det andra behövs bättre katalysatorer för att driva den omvända reaktionen som laddar batteriet.
Narayan säger att det inte kommer att vara klart hur mycket pengar och hur mycket tid projektet kommer att ta förrän om ett och ett halvt år från nu, efter att forskningen har påbörjats. Han uppskattar att företaget kommer att ägna cirka fem år åt projektet. IBM kommer förmodligen inte att tillverka batterierna utan licensierar ut tekniken till tillverkare.