Perubahan iklim dan pelepasan gas rumah kaca, bersama dengan keperluan tenaga yang boleh diperbaharui dan masa depan yang lebih lestari, mendorong ekonomi global menuju mobiliti elektrik. Untuk berjaya, penggunaan kenderaan elektrik (EV) dan proses elektrik yang lain memerlukan ketersediaan bateri yang lebih cekap, menjimatkan kos, dan lebih selamat. Selama beberapa tahun terakhir, usaha dan pelaburan besar telah dikeluarkan untuk membuat bateri generasi akan datang, terutamanya dengan memfokuskan pada kimia bateri, formula kimia baru, dan bahan baru seperti bateri lithium-sulfur dan lithium-metal.
Addionics, pemula Israel / UK, telah mengikuti pendekatan yang berbeza dengan syarikat lain, dengan fokus pada fizik dan bukan pada kimia. Pendekatan kimia-agnostik Addionics bermaksud bahawa ia masih dapat memanfaatkan kemajuan dalam kimia sambil membawa teknologi baru untuk fizik bateri melalui reka bentuk fizikal inovatif sel bateri. Senibina bateri baru mencapai peningkatan prestasi yang ketara dalam pelbagai dimensi tanpa memerlukan perubahan dalam kimia bateri.
“Elektrod bateri hari ini dihasilkan menggunakan filem foil yang sangat nipis, sama seperti kerajang aluminium biasa yang kami gunakan untuk membungkus makanan,” kata Vladimir Yufit, CTO Addionics. "Tujuan mereka adalah untuk mengumpul arus daripada bahan aktif bateri, dan pendekatan ini adalah sama selama beberapa dekad. Idea kami adalah untuk mengambil kerajang nipis ini dan menjadikannya tiga dimensi, dengan reka bentuk dan seni bina yang berbeza. Tumpuan syarikat adalah untuk mereka bentuk elektrod logam berliang tiga dimensi ini, mengeluarkannya, dan membina bateri berdasarkan canggih ini. teknologi"
Dengan mengambil struktur elektrod berlapis 2D yang ada dan menggantinya dengan struktur 3D bersepadu, Addionics telah mengembangkan teknologi yang mampu meningkatkan prestasi bateri secara dramatik, mengurangkan kos dan masa pengisian, sambil meningkatkan ketumpatan dan tenaga tenaga bateri. Kaedah fabrikasi logam 3D yang dipatenkan dan berskala meminimumkan rintangan dalaman dan meningkatkan jangka hayat mekanikal, kestabilan terma, dan lain-lain batasan khas dan faktor penurunan yang terdapat dalam bateri standard.
Bateri hari ini menghadapi tenaga untuk mengimbangi tenaga: Mereka dapat menyimpan lebih banyak tenaga, atau mereka dapat mengecas dan melepaskan lebih cepat. Untuk aplikasi EV, ini bermaksud tidak ada bateri yang dapat memberikan pengecasan jarak jauh dan cepat pada masa yang sama. Masalah lain yang berkaitan dengan teknologi bateri semasa adalah ketidakcocokan anod-katod. Kemajuan terbaru dalam kimia bateri lithium-ion merangkumi penggunaan silikon dalam anod bateri dan bukan hanya grafit tulen.
Malangnya, kimia katoda yang dominan hari ini tidak dapat menandingi tahap tenaga anoda yang tinggi, sehingga menghadkan pengenalan teknologi baru ini. Addionics memberikan penyelesaian untuk kedua-dua masalah utama ini dengan merancang semula sel. Lebih-lebih lagi, teknologi Addionics dapat diterapkan pada kedua-dua anod dan katod, yang bermaksud katod tenaga yang lebih tebal dan lebih tinggi dapat dibina menggunakan seni bina yang maju. Katod dengan struktur 3D ini akan mempunyai tenaga yang lebih tinggi dan sesuai dengan keupayaan teknologi anoda tenaga tinggi yang muncul.
"Penyelesaian kami menggunakan pendekatan fizik, bukan kimia; itu bermaksud bahawa kita dapat bekerja dengan hampir semua jenis kimia bateri dan kita dapat menyesuaikan teknologi kita dengan peraturan baru atau bahan baru, ”kata Yufit.
Kimia bateri yang ada dapat meningkatkan kinerjanya dengan elektrod 3D, dan kimia maju yang maju dapat menghadapi tantangan pelaksanaan yang dapat diatasi melalui struktur 3D. Addionics telah menunjukkan kelebihan elektrod 3D dengan pelbagai jenis kimia.
Gambar 1: Reka bentuk sel 3D Addionics (Sumber: Addionics)
Elektrod logam berpori
Idea asas Addionics adalah membuat elektrod 3D yang sangat berpori yang menggantikan kerajang logam klasik. Dengan cara ini, adalah mungkin untuk meningkatkan permukaan elektrod luaran itu sendiri dengan ketara, dengan hasil positif pada fungsi sel. Mempunyai struktur 3D memungkinkan pengangkutan elektrolit yang lebih baik dan, sebagai hasilnya, rintangan dalaman yang lebih rendah. Gambar 1 memberikan perbandingan antara struktur bateri konvensional (di sebelah kiri) dan reka bentuk sel 3D Addionics (di sebelah kanan).
Dalam struktur bateri konvensional, bahan aktif (hitam dan ungu) dilapisi ke kerajang logam 2D di struktur anod dan katod, sedangkan dalam reka bentuk sel 3D Addionics (elektrod 3D), elektrod bersepadu dengan bahan aktif tertanam di dalam logam 3D. Dengan beralih ke reka bentuk elektrod 3D, bateri dapat mencapai tiga peningkatan prestasi utama: peningkatan ketumpatan tenaga, rintangan dalaman yang lebih rendah, dan prestasi yang lebih selamat dan tahan lama kerana pelesapan haba yang lebih baik dan kestabilan mekanikal yang lebih tinggi.
Struktur berliang yang diciptakan oleh Addionics meningkatkan prestasi tanpa menjejaskan fungsi elektrod, yang tetap homogen dan stabil walaupun daya yang digunakan untuk pengisian meningkat. Ini bermaksud bahawa dengan elektrod 3D, bateri lithium-ion dapat bertahan dua kali lebih lama, mengisi semula lebih cepat, dan memungkinkan peningkatan julat dalam EV. Rajah 2 menunjukkan bagaimana elektrod 3D dapat meningkatkan jangka hayat bateri. Prototaip sel kantong Addionics (hijau) pertama menunjukkan lebih daripada 2,000 kitaran dengan penurunan 20% kapasiti, berbanding dengan sel standard berdasarkan foil (hitam).
Gambar 2: Teknologi elektrod 3D Addionics telah terbukti dapat meningkatkan jangka hayat bateri. (Sumber: Addionics)
Addionics juga telah mengembangkan pendekatan inovatif untuk pembuatan yang tidak hanya menghasilkan struktur 3D dengan harga yang kompetitif di pasar tetapi juga dapat menurunkan biaya. Untuk mengoptimumkan reka bentuk struktur logam 3D, Addionics telah mengembangkan perisian pemodelan bateri berasaskan AI canggih yang memandu proses pembuatan untuk membuat struktur yang optimum. Akhirnya, untuk berjaya menerapkan struktur bateri 3D pada skala besar, proses pelapisan baru perlu dikembangkan untuk melapisi struktur logam 3D secara seragam.
Addionics mempunyai kerjasama dengan syarikat-syarikat besar untuk mengembangkan bateri, termasuk mereka yang berusaha untuk membangunkan EV dan mesin pemacu. "Tujuan ambisius kami adalah memasukkan bateri ke dalam setiap kenderaan elektrik," kata Yufit. "Walaupun teknologi kami dapat dimanfaatkan oleh OEM, aplikasi kami juga dapat berguna dalam elektronik pengguna, yang dapat menjadi lebih penting lagi kerana perangkat ini dapat menggunakan baterai yang lebih sedikit dan lebih kecil kerana keterbatasan ruang yang sangat ketat. Kami kini fokus untuk meningkatkan ketumpatan tenaga dalam tiga kimia bateri utama: silikon, LFP [lithium iron fosfat], dan keadaan pepejal. "
Artikel yang mula-mula diterbitkan pada penerbitan saudari Power Electronics News.