שינויי אקלים ופליטת גזי חממה, יחד עם הצורך באנרגיות מתחדשות ועתיד בר קיימא יותר, דוחפים את הכלכלה העולמית לעבר ניידות חשמלית. כדי להצליח, אימוץ רכב חשמלי (EV) ותהליכי חישמול אחרים מחייבים זמינות של סוללות יעילות, חסכוניות ובטוחות יותר. במהלך השנים האחרונות הושקעו מאמצים עצומים והשקעות בכדי ליצור סוללות מהדור הבא, בעיקר על ידי התמקדות בכימיה של סוללות, נוסחאות כימיות חדשות וחומרים חדשים כמו סוללות ליתיום-גופרית וסוללות ליתיום-מתכת.
Addionics, סטארט-אפ ישראלי / בריטני, נקטה גישה שונה כלפי חברות אחרות, והתמקדה בפיזיקה במקום בכימיה. הגישה הכימית-אגנוסטית של Addionics פירושה שהיא עדיין יכולה ליהנות מההתקדמות בכימיה תוך שהיא מביאה טכנולוגיות חדשות לפיזיקת הסוללות באמצעות תכנון פיזי חדשני של תא הסוללה. ארכיטקטורת הסוללות החדשה משיגה שיפורי ביצועים משמעותיים במגוון מידות מבלי לדרוש שינוי בכימיה של הסוללה.
"אלקטרודות הסוללה של היום מיוצרות באמצעות סרטי נייר כסף דקים מאוד, בדומה לרדיד אלומיניום רגיל שאנו משתמשים לעטיפת מזון," אמר ולדימיר יופית, CTO של Addionics. "המטרה שלהם היא לאסוף זרם מחומרים פעילים בסוללה, והגישה הזו הייתה זהה כבר עשרות שנים. הרעיון שלנו היה לקחת את נייר הכסף הדק הזה ולהפוך אותו לתלת מימדי, עם עיצוב וארכיטקטורה שונים. המיקוד של החברה הוא לתכנן אלקטרודות מתכת נקבוביות תלת מימדיות אלו, לייצר אותן ולבנות סוללות על בסיס מתקדם זה טֶכנוֹלוֹגִיָה".
על ידי לקיחת המבנה הקיים של שכבות אלקטרודות דו-ממדיות והחלפתו במבנה תלת-ממדי משולב, פיתחה Addionics טכנולוגיה המסוגלת לשפר את ביצועי הסוללה באופן דרמטי, ולהפחית את עלות וזמן הטעינה, תוך הגדלת צפיפות ההספק והאנרגיה של הסוללה. שיטת ייצור המתכת התלת-ממדית המוגנת בפטנט וניתן להרחבה ממזערת התנגדות פנימית ומשפרת אורך חיים מכני, יציבות תרמית ועוד מגבלות וגורמי השפלה שאפשר למצוא בסוללות סטנדרטיות.
הסוללות של ימינו עומדות בפני אנרגיה להפעלת כוח: הן יכולות לאגור יותר אנרגיה, או שהן יכולות להיטען ולפרוק מהר יותר. עבור יישומי EV זה אומר שאין סוללה שיכולה לספק טווח ארוך וטעינה מהירה בו זמנית. נושא נוסף הקשור לטכנולוגיית הסוללה הנוכחית הוא חוסר התאמה של אנודה-קתודה. ההתקדמות האחרונה בכימיה של סוללות ליתיום-יונים כוללת את השימוש בסיליקון באנודה של הסוללה במקום רק גרפיט טהור.
למרבה הצער, כימיקות הקתודות הדומיננטיות של ימינו אינן מסוגלות להתאים לרמות אנרגיית האנודה הגבוהות, מה שמגביל את הצגתן של טכנולוגיות חדשות אלה. Addionics נותן מענה לשתי סוגיות מרכזיות אלה על ידי עיצוב מחדש של התא. יתר על כן, ניתן ליישם את טכנולוגיית Addionics גם על אנודות וגם על קתודות, כלומר ניתן לבנות קתודות עבותות ואנרגיה גבוהה יותר באמצעות ארכיטקטורה מתקדמת. לקתודות עם מבנים תלת ממדיים אלה תהיה אנרגיה גבוהה יותר ותתאים לקיבולת של טכנולוגיות אנודה עתירות אנרגיה.
"הפיתרון שלנו נוקט בגישה פיזיקלית, ולא בכימיה; זה אומר שאנחנו יכולים לעבוד כמעט עם כל סוג של כימיה של סוללות ואנחנו יכולים להתאים את הטכנולוגיה שלנו לתקנות חדשות או לחומרים חדשים, "אמרה יופית.
כימויות סוללות קיימות יכולות לשפר את ביצועיהן באמצעות אלקטרודות תלת-ממדיות, ולכימיה מתקדמת המתפתחת יכולות להתגבר על אתגרי יישום באמצעות מבנים תלת-ממדיים. Addionics כבר הוכיח את היתרון של אלקטרודות תלת מימד עם סוגים שונים של כימיקלים.
איור 1: עיצוב תאי התלת מימד של Addionics (מקור: Addionics)
אלקטרודת מתכת נקבובית
הרעיון הבסיסי של Addionics הוא ליצור אלקטרודות תלת מימד נקבוביות במיוחד המחליפות את נייר הכסף הקלאסי. באופן זה ניתן להגדיל משמעותית את פני השטח החיצוניים של האלקטרודות עצמן, עם תוצאות חיוביות על תפקוד התאים. בעל מבנה תלת ממדי מאפשר הובלת אלקטרוליטים טובה יותר וכתוצאה מכך התנגדות פנימית נמוכה יותר. איור 3 מספק השוואה בין מבנה הסוללה הקונבנציונאלי (משמאל) לבין עיצוב תאי התלת מימד של Addionics (מימין).
במבנה הסוללה הקונבנציונאלי, החומר הפעיל (שחור וסגול) מצופה על נייר מתכת דו-ממדי במבני האנודה והקטודה, ואילו בתכנון תאי התלת-ממד של Addionics (אלקטרודות תלת-ממדיות) מוטבעים אלקטרודות משולבות עם חומר פעיל בתוך מתכת תלת-ממדית. על ידי מעבר לתכנון אלקטרודות תלת-ממדיות, סוללות יכולות להשיג שלושה שיפורי ביצועים עיקריים: צפיפות אנרגיה מוגברת, עמידות פנימית נמוכה יותר וביצועים בטוחים יותר ועמידים יותר עקב פיזור חום טוב יותר ויציבות מכנית גבוהה יותר.
המבנה הנקבובי שהומצא על ידי Addionics מגדיל את הביצועים מבלי להשפיע על תפקוד האלקטרודה, שנותרה הומוגנית ויציבה גם כאשר הכוח המשמש לטעינה עולה. המשמעות היא שעם אלקטרודה תלת-ממדית, סוללת ליתיום-יון יכולה להחזיק מעמד כפליים, להיטען מהר יותר ולאפשר הגדלת טווח החשמליות. איור 3 מראה כיצד אלקטרודות תלת מימד יכולות להאריך את חיי הסוללה. אב הטיפוס הראשון של תאי הכיס אדיוניקה (ירוק) הדגים יותר מ -2 מחזורים עם השפלה של 3% בלבד, לעומת תאים סטנדרטיים המבוססים על נייר כסף (שחור).
איור 2: הוכחה שטכנולוגיית האלקטרודה התלת-ממדית של Addionics מגדילה את חיי הסוללה. (מקור: Addionics)
Addionics פיתחה גם גישה חדשנית לייצור שלא רק מניבה מבנים תלת מימדיים בעלות תחרותית בשוק, אלא גם יכולה להוזיל עלויות. כדי למטב את העיצוב של מבנה המתכת התלת מימדי, פיתחה Addionics תוכנת דוגמנות סוללות מתקדמת מבוססת AI המנחה את תהליך הייצור ליצירת מבנים אופטימליים. לבסוף, כדי ליישם בהצלחה מבני סוללות תלת-ממדיים בקנה מידה גדול, יש לפתח תהליכי ציפוי חדשים לציפוי אחיד של מבני מתכת תלת-ממדיים.
ל- Addionics יש שותפויות עם חברות גדולות לפיתוח סוללות, כולל אלה שעובדות על פיתוח רכבים חשמליים ומנועי חשמל. "המטרה השאפתנית שלנו היא להכניס את הסוללות לכל רכב חשמלי," אמרה יופית. "למרות שאנו יכולים להשתמש בטכנולוגיה שלנו על ידי יצרני ציוד מקורי, היישומים שלנו יכולים להיות שימושיים גם בתחום האלקטרוניקה הצרכנית, דבר שיכול להיות קריטי עוד יותר מכיוון שהתקנים אלה יכולים להשתמש בסוללות פחות וקטנות יותר בגלל מגבלות מקום הדוקות מאוד. אנו מתמקדים כיום בשיפור צפיפות האנרגיה בשלוש כימיקלים ראשוניים לסוללות: סיליקון, LFP [פוספט ברזל ליתיום] ומצב מוצק. "
המאמר פורסם במקור בפרסום האחות Power Electronics News.