Klimaatverandering en de uitstoot van broeikasgassen, samen met de behoefte aan hernieuwbare energieën en een duurzamere toekomst, duwen de wereldeconomie in de richting van elektrische mobiliteit. Om succesvol te zijn, vereisen de adoptie van elektrische voertuigen (EV) en andere ondergaande elektrificatieprocessen de beschikbaarheid van efficiëntere, kosteneffectievere en veiligere batterijen. De afgelopen jaren zijn er enorme inspanningen en investeringen gedaan om batterijen van de volgende generatie te creëren, voornamelijk door te focussen op de batterijchemie, nieuwe chemische formules en nieuwe materialen zoals lithium-zwavel- en lithium-metaalbatterijen.
Addionics, een Israëlisch/Britse startup, heeft een andere aanpak gevolgd dan andere bedrijven, waarbij de nadruk ligt op natuurkunde in plaats van op scheikunde. De chemie-agnostische benadering van Addionics betekent dat het nog steeds kan profiteren van de vooruitgang in de chemie, terwijl het nieuwe technologieën naar de batterijfysica kan brengen door middel van een innovatief fysiek ontwerp van de batterijcel. De nieuwe batterijarchitectuur zorgt voor aanzienlijke prestatieverbeteringen over verschillende dimensies zonder dat er enige verandering in de batterijchemie nodig is.
“De huidige batterijelektroden worden vervaardigd met behulp van zeer dunne foliefilms, vergelijkbaar met gewone aluminiumfolie die we gebruiken om voedsel in te pakken”, zegt Vladimir Yufit, CTO van Addionics. “Hun doel is om stroom te verzamelen uit batterij-actieve materialen, en deze aanpak is al tientallen jaren hetzelfde. Ons idee was om deze dunne folie driedimensionaal te maken, met een ander ontwerp en een andere architectuur. De focus van het bedrijf ligt op het ontwerpen van deze driedimensionale poreuze metaalelektroden, het vervaardigen ervan en het bouwen van batterijen op basis van deze geavanceerde technologie. technologie. '
Door de bestaande 2D-gelaagde structuur van elektroden te nemen en deze te vervangen door een geïntegreerde 3D-structuur, heeft Addionics een technologie ontwikkeld die de batterijprestaties dramatisch kan verbeteren, waardoor de kosten en oplaadtijd worden verlaagd, terwijl de vermogensdichtheid en energie van de batterij worden verhoogd. De gepatenteerde en schaalbare 3D-metaalproductiemethode minimaliseert de interne weerstand en verbetert de mechanische levensduur, thermische stabiliteit en andere typische beperkingen en degradatiefactoren die kunnen worden aangetroffen in standaardbatterijen.
De huidige batterijen worden geconfronteerd met een energie-energie-afweging: ze kunnen meer energie opslaan, of ze kunnen sneller opladen en ontladen. Voor EV-toepassingen betekent dit dat er geen batterij is die tegelijkertijd een groot bereik en snel opladen kan bieden. Een ander probleem dat verband houdt met de huidige batterijtechnologie is de zogenaamde mismatch tussen anode en kathode. De nieuwste ontwikkelingen op het gebied van de chemie van lithium-ionbatterijen omvatten het gebruik van silicium in de anode van de batterij in plaats van alleen puur grafiet.
Helaas zijn de huidige dominante kathodechemieën niet in staat om de hoge anode-energieniveaus te evenaren, waardoor de introductie van deze nieuwe technologieën wordt beperkt. Addionics biedt een oplossing voor deze twee belangrijke problemen door de cel opnieuw te ontwerpen. Bovendien kan Addionics-technologie worden toegepast op zowel anodes als kathodes, wat betekent dat dikkere kathodes met hogere energie kunnen worden gebouwd met behulp van geavanceerde architectuur. Kathodes met deze 3D-structuren zullen een hogere energie hebben en overeenkomen met de capaciteit van opkomende hoogenergetische anodetechnologieën.
“Onze oplossing heeft een natuurkundige benadering, geen scheikunde; dat betekent dat we met vrijwel elke vorm van batterijchemie kunnen werken en dat we onze technologie kunnen aanpassen aan nieuwe regelgeving of nieuwe materialen”, aldus Yufit.
De prestaties van bestaande batterijchemie kunnen worden verbeterd met 3D-elektroden, en opkomende geavanceerde chemie kan implementatieproblemen overwinnen door middel van 3D-structuren. Addionics heeft het voordeel van 3D-elektroden met verschillende soorten chemie al aangetoond.
Figuur 1: Het 3D-celontwerp van Addionics (Bron: Addionics)
Poreuze metalen elektrode
Het basisidee van Addionics is om zeer poreuze 3D-elektroden te maken die de klassieke metaalfolies vervangen. Op deze manier is het mogelijk om het externe oppervlak van de elektroden zelf aanzienlijk te vergroten, met positieve resultaten op de werking van de cellen. Het hebben van een 3D-structuur zorgt voor een beter elektrolyttransport en daardoor een lagere interne weerstand. Figuur 1 geeft een vergelijking tussen de conventionele batterijstructuur (aan de linkerkant) en het 3D-celontwerp van Addionics (aan de rechterkant).
In de conventionele batterijstructuur wordt het actieve materiaal (zwart en paars) gecoat op 2D-metaalfolie in de anode- en kathodestructuren, terwijl in Addionics' 3D-celontwerp (3D-elektroden) geïntegreerde elektroden met actief materiaal zijn ingebed in 3D-metaal. Door over te stappen op 3D-elektrodeontwerpen kunnen batterijen drie belangrijke prestatieverbeteringen realiseren: verhoogde energiedichtheid, lagere interne weerstand en veiligere en duurzamere prestaties dankzij betere warmteafvoer en hogere mechanische stabiliteit.
De poreuze structuur, uitgevonden door Addionics, verhoogt de prestaties zonder de werking van de elektrode te beïnvloeden, die homogeen en stabiel blijft, zelfs als het vermogen dat voor het opladen wordt gebruikt toeneemt. Dit betekent dat een lithium-ionbatterij met een 3D-elektrode twee keer zo lang meegaat, sneller oplaadt en het bereik van elektrische voertuigen vergroot. Figuur 2 laat zien hoe 3D-elektroden de levensduur van de batterij kunnen verlengen. Het eerste prototype van de Addionics (groene) buidelcel demonstreerde meer dan 2,000 cycli met slechts 20% capaciteitsdegradatie, vergeleken met standaardcellen op basis van folie (zwart).
Figuur 2: Het is bewezen dat de 3D-elektrodetechnologie van Addionics de levensduur van de batterij verlengt. (Bron: Addionics)
Addionics heeft ook een innovatieve productieaanpak ontwikkeld die niet alleen 3D-structuren oplevert tegen marktconcurrerende kosten, maar ook de kosten kan verlagen. Om het ontwerp van de 3D-metaalstructuur te optimaliseren, heeft Addionics geavanceerde AI-gebaseerde batterijmodelleringssoftware ontwikkeld die het productieproces begeleidt om optimale structuren te creëren. Ten slotte moeten, om 3D-batterijstructuren op grote schaal succesvol te implementeren, nieuwe coatingprocessen worden ontwikkeld om 3D-metaalstructuren uniform te coaten.
Addionics heeft partnerschappen met grote bedrijven om batterijen te ontwikkelen, inclusief bedrijven die werken aan de ontwikkeling van elektrische voertuigen en aandrijflijnen. “Ons ambitieuze doel is om onze batterijen in elk elektrisch voertuig te krijgen”, aldus Yufit. “Hoewel onze technologie kan worden gebruikt door OEM's, kunnen onze toepassingen ook nuttig zijn in consumentenelektronica, wat zelfs nog belangrijker kan zijn omdat deze apparaten minder en kleinere batterijen kunnen gebruiken vanwege de zeer krappe ruimtebeperkingen. We zijn momenteel gefocust op het verbeteren van de energiedichtheid in drie belangrijke batterijchemie: silicium, LFP [lithiumijzerfosfaat] en vaste stof.”
Het artikel is oorspronkelijk gepubliceerd in zusterpublicatie Power Electronics News.