El cambio climático y las emisiones de gases de efecto invernadero, junto con la necesidad de energías renovables y un futuro más sostenible, están empujando a la economía global hacia la movilidad eléctrica. Para tener éxito, la adopción de vehículos eléctricos (EV) y otros procesos de electrificación en proceso requieren la disponibilidad de baterías más eficientes, rentables y seguras. En los últimos años, se han realizado grandes esfuerzos e inversiones para crear baterías de próxima generación, centrándose principalmente en la química de las baterías, nuevas fórmulas químicas y nuevos materiales como baterías de litio-azufre y litio-metal.
Addionics, una startup israelí / británica, ha seguido un enfoque diferente al de otras empresas, centrándose en la física en lugar de en la química. El enfoque agnóstico de la química de Addionics significa que aún puede beneficiarse de los avances en la química al tiempo que aporta nuevas tecnologías a la física de la batería a través de un diseño físico innovador de la celda de la batería. La nueva arquitectura de la batería logra importantes mejoras de rendimiento en una variedad de dimensiones sin requerir ningún cambio en la química de la batería.
"Los electrodos de batería actuales se fabrican con películas de aluminio muy finas, similares al papel de aluminio normal que utilizamos para envolver los alimentos", afirmó Vladimir Yufit, director de tecnología de Addionics. “Su propósito es recolectar corriente de materiales activos en baterías, y este enfoque ha sido el mismo durante décadas. Nuestra idea era tomar esta fina lámina y hacerla tridimensional, con un diseño y una arquitectura diferente. El objetivo de la empresa es diseñar estos electrodos metálicos porosos tridimensionales, fabricarlos y construir baterías basadas en este avanzado la tecnología."
Al tomar la estructura existente de electrodos en capas 2D y reemplazarla con una estructura 3D integrada, Addionics ha desarrollado una tecnología capaz de mejorar el rendimiento de la batería de manera espectacular, reduciendo el costo y el tiempo de carga, al tiempo que aumenta la densidad y la energía de la batería. El método de fabricación de metal 3D escalable y patentado minimiza la resistencia interna y mejora la longevidad mecánica, la estabilidad térmica y otras limitaciones típicas y factores de degradación que se pueden encontrar en las baterías estándar.
Las baterías de hoy enfrentan una compensación de energía a potencia: pueden almacenar más energía, o pueden cargarse y descargarse más rápidamente. Para las aplicaciones de vehículos eléctricos, esto significa que no hay batería que pueda proporcionar una carga rápida y de largo alcance al mismo tiempo. Otro problema relacionado con la tecnología actual de las baterías es el llamado desajuste ánodo-cátodo. Los últimos avances en la química de las baterías de iones de litio abarcan el uso de silicio en el ánodo de la batería en lugar de solo grafito puro.
Desafortunadamente, las químicas de los cátodos dominantes en la actualidad no pueden igualar los altos niveles de energía del ánodo, lo que limita la introducción de estas nuevas tecnologías. Addionics proporciona una solución a estos dos problemas clave al rediseñar la celda. Además, la tecnología Addionics se puede aplicar tanto a ánodos como a cátodos, lo que significa que se pueden construir cátodos más gruesos y de mayor energía utilizando una arquitectura avanzada. Los cátodos con estas estructuras 3D tendrán mayor energía y coincidirán con la capacidad de las tecnologías emergentes de ánodos de alta energía.
“Nuestra solución tiene un enfoque de física, no de química; eso significa que podemos trabajar con casi cualquier tipo de química de batería y podemos ajustar nuestra tecnología a nuevas regulaciones o nuevos materiales ”, dijo Yufit.
Las químicas de baterías existentes pueden mejorar su rendimiento con electrodos 3D, y las químicas avanzadas emergentes pueden superar los desafíos de implementación a través de estructuras 3D. Addionics ya ha demostrado la ventaja de los electrodos 3D con varios tipos de químicas.
Figura 1: Diseño de celda 3D de Addionics (Fuente: Addionics)
Electrodo de metal poroso
La idea básica de Addionics es hacer electrodos 3D altamente porosos que reemplacen las clásicas láminas de metal. De esta forma, es posible incrementar significativamente la superficie externa de los propios electrodos, con resultados positivos sobre el funcionamiento de las células. Tener una estructura 3D permite un mejor transporte de electrolitos y, como resultado, una menor resistencia interna. La Figura 1 proporciona una comparación entre la estructura de batería convencional (a la izquierda) y el diseño de celda 3D de Addionics (a la derecha).
En la estructura de batería convencional, el material activo (negro y violeta) se recubre sobre una lámina de metal 2D en las estructuras del ánodo y el cátodo, mientras que en el diseño de celda 3D de Addionics (electrodos 3D), los electrodos integrados con material activo están incrustados dentro del metal 3D. Al pasar a diseños de electrodos 3D, las baterías pueden lograr tres mejoras clave de rendimiento: mayor densidad de energía, menor resistencia interna y un rendimiento más seguro y duradero debido a una mejor disipación de calor y una mayor estabilidad mecánica.
La estructura porosa inventada por Addionics aumenta el rendimiento sin afectar el funcionamiento del electrodo, que permanece homogéneo y estable incluso a medida que aumenta la potencia utilizada para la carga. Esto significa que con un electrodo 3D, una batería de iones de litio puede durar el doble, recargarse más rápido y permitir un aumento en el alcance de los vehículos eléctricos. La Figura 2 muestra cómo los electrodos 3D pueden aumentar la vida útil de la batería. El primer prototipo de celda de bolsa Addionics (verde) demostró más de 2,000 ciclos con solo un 20% de degradación de la capacidad, en comparación con las celdas estándar basadas en papel de aluminio (negro).
Figura 2: Se ha demostrado que la tecnología de electrodos 3D de Addionics aumenta la vida útil de la batería. (Fuente: Addionics)
Addionics también ha desarrollado un enfoque innovador para la fabricación que no solo produce estructuras 3D a un costo competitivo en el mercado, sino que también puede reducir los costos. Para optimizar el diseño de la estructura metálica en 3D, Addionics ha desarrollado un software avanzado de modelado de baterías basado en IA que guía el proceso de fabricación para crear estructuras óptimas. Por último, para implementar con éxito estructuras de batería 3D a escala, es necesario desarrollar nuevos procesos de recubrimiento para recubrir de manera uniforme las estructuras metálicas 3D.
Addionics tiene asociaciones con grandes empresas para desarrollar baterías, incluidas aquellas que trabajan en el desarrollo de vehículos eléctricos y trenes de potencia. “Nuestro ambicioso objetivo es colocar nuestras baterías en todos los vehículos eléctricos”, dijo Yufit. “Si bien los fabricantes de equipos originales pueden utilizar nuestra tecnología, nuestras aplicaciones también pueden ser útiles en la electrónica de consumo, que puede ser incluso más crítica, ya que estos dispositivos pueden usar menos baterías y más pequeñas debido a las limitaciones de espacio muy reducidas. Actualmente estamos enfocados en mejorar la densidad de energía en tres componentes químicos principales de la batería: silicio, LFP [fosfato de hierro y litio] y estado sólido ".
El artículo se publicó originalmente en la publicación hermana Power Electronics News.