気候変動と温室効果ガスの排出は、再生可能エネルギーとより持続可能な未来の必要性とともに、世界経済を電気移動に向けて推進しています。 電気自動車（EV）の採用やその他の電化プロセスを成功させるには、より効率的で費用効果が高く、より安全なバッテリーを利用できる必要があります。 過去数年間、主に電池の化学的性質、新しい化学式、およびリチウム硫黄やリチウム金属電池などの新しい材料に焦点を当てることにより、次世代電池を作成するために多大な努力と投資が費やされてきました。
イスラエル/英国の新興企業であるAddionicsは、化学ではなく物理学に焦点を当て、他の企業とは異なるアプローチを採用しています。 Addionicsの化学に依存しないアプローチは、バッテリーセルの革新的な物理設計を通じて、バッテリー物理学に新しいテクノロジーをもたらしながら、化学の進歩から利益を得ることができることを意味します。 新しいバッテリーアーキテクチャは、バッテリーの化学的性質を変更することなく、さまざまな次元で大幅なパフォーマンスの向上を実現します。
「今日のバッテリー電極は、食品を包むために使用される通常のアルミニウム箔と同様の、非常に薄い箔フィルムを使用して製造されています」と、Addionics の CTO である Vladimir Yufit 氏は述べています。 「その目的は、バッテリー活物質から電流を集めることであり、このアプローチは数十年にわたって同じです。 私たちのアイデアは、この薄い箔を、異なるデザインと構造で三次元にすることでした。 同社の焦点は、これらの三次元多孔質金属電極を設計、製造し、この先進的な技術に基づいて電池を構築することです。 テクノロジーに設立された地域オフィスに加えて、さらにローカルカスタマーサポートを提供できるようになります。」
Addionicsは、電極の既存の2D層構造を採用し、それを統合3D構造に置き換えることで、バッテリーの電力密度とエネルギーを向上させながら、バッテリーのパフォーマンスを劇的に向上させ、コストと充電時間を削減できる技術を開発しました。 特許取得済みのスケーラブルな3D金属製造方法は、内部抵抗を最小限に抑え、機械的寿命、熱安定性、および標準バッテリーに見られるその他の一般的な制限と劣化要因を改善します。
今日のバッテリーは、エネルギーと電力のトレードオフに直面しています。つまり、より多くのエネルギーを蓄えることも、より速く充電および放電することもできます。 EVアプリケーションの場合、これは、長距離と高速充電を同時に提供できるバッテリーがないことを意味します。 現在の電池技術に関連する別の問題は、いわゆるアノード-カソードのミスマッチです。 リチウムイオン電池の化学的性質の最新の進歩には、純粋なグラファイトだけでなく、電池のアノードにシリコンを使用することが含まれます。
残念ながら、今日の主要なカソード化学は、高いアノードエネルギーレベルに対応することができず、これらの新しい技術の導入を制限しています。 Addionicsは、セルを再設計することにより、これら3つの重要な問題の両方に対する解決策を提供します。 さらに、Addionicsテクノロジーは、アノードとカソードの両方に適用できます。つまり、高度なアーキテクチャを使用して、より厚く、より高エネルギーのカソードを構築できます。 これらのXNUMXD構造を持つカソードは、より高いエネルギーを持ち、新しい高エネルギーアノード技術の容量に匹敵します。
「私たちのソリューションは、化学ではなく物理学のアプローチを採用しています。 つまり、ほぼすべての種類の電池の化学的性質を処理でき、新しい規制や新しい材料に合わせて技術を調整できるということです」とYufit氏は述べています。
既存のバッテリーケミストリーは、3D電極を使用してパフォーマンスを向上させることができ、新しい高度なケミストリーは、3D構造を通じて実装上の課題を克服することができます。 Addionicsは、さまざまな種類の化学物質を使用した3D電極の利点をすでに実証しています。
図1：Addionicsの3Dセル設計（出典：Addionics）
多孔質金属電極
Addionicsの基本的な考え方は、従来の金属箔に代わる高多孔質の3D電極を作成することです。 このようにして、電極自体の外面を大幅に増やすことが可能であり、細胞の機能にプラスの結果をもたらします。 3D構造を持つことで、電解質の輸送が向上し、その結果、内部抵抗が低くなります。 図1は、従来のバッテリー構造（左側）とAddionicsの3Dセル設計（右側）の比較を示しています。
従来のバッテリー構造では、活物質（黒と紫）がアノードとカソード構造の2D金属箔にコーティングされていましたが、Addionicsの3Dセル設計（3D電極）では、活物質と統合された電極が3D金属の内部に埋め込まれています。 3D電極設計に移行することにより、バッテリーはXNUMXつの主要なパフォーマンスの向上を実現できます。エネルギー密度の向上、内部抵抗の低下、および熱放散の向上と機械的安定性の向上による安全で長持ちするパフォーマンスです。
Addionicsによって発明された多孔質構造は、電極の機能に影響を与えることなく性能を向上させます。これは、充電に使用される電力が増加しても、均一で安定したままです。 これは、3D電極を使用すると、リチウムイオン電池の寿命が2倍になり、充電が速くなり、EVの範囲を広げることができることを意味します。 図3は、2,000D電極がどのようにバッテリーの寿命を延ばすことができるかを示しています。 最初のAddionics（緑）ポーチセルのプロトタイプは、フォイル（黒）に基づく標準セルと比較して、わずか20％の容量低下でXNUMXサイクル以上を示しました。
図2：Addionicsの3D電極技術は、バッテリーの寿命を延ばすことが証明されています。 （出典：Addionics）
Addionicsは、市場競争力のあるコストで3D構造を生み出すだけでなく、コストを削減できる革新的な製造アプローチも開発しました。 3D金属構造の設計を最適化するために、Addionicsは、製造プロセスをガイドして最適な構造を作成する、高度なAIベースのバッテリーモデリングソフトウェアを開発しました。 最後に、3Dバッテリー構造を大規模に実装するには、3D金属構造を均一にコーティングするための新しいコーティングプロセスを開発する必要があります。
Addionicsは、EVやパワートレインの開発に取り組んでいる企業を含め、バッテリーを開発するために大企業と提携しています。 「私たちの野心的な目標は、すべての電気自動車にバッテリーを搭載することです」とYufit氏は述べています。 「当社のテクノロジーはOEMで利用できますが、当社のアプリケーションは家庭用電化製品でも役立つ可能性があります。これらのデバイスは、スペースの制限が非常に厳しいため、使用するバッテリーがますます少なくなるため、さらに重要になる可能性があります。 私たちは現在、シリコン、LFP [リン酸鉄リチウム]、および固体のXNUMXつの主要な電池化学におけるエネルギー密度の改善に焦点を合わせています。」
姉妹誌のPowerElectronicsNewsに最初に掲載された記事。