As mudanças climáticas e as emissões de gases de efeito estufa, junto com a necessidade de energias renováveis e um futuro mais sustentável, estão empurrando a economia global para a mobilidade elétrica. Para ter sucesso, a adoção de veículos elétricos (EV) e outros processos de eletrificação exigem a disponibilidade de baterias mais eficientes, econômicas e seguras. Nos últimos anos, enormes esforços e investimentos foram feitos para criar baterias de última geração, principalmente com foco na química de baterias, novas fórmulas químicas e novos materiais, como baterias de lítio-enxofre e lítio-metal.
Addionics, uma startup israelense / britânica, seguiu uma abordagem diferente de outras empresas, com foco em física em vez de química. A abordagem agnóstica da Addionics significa que ela ainda pode se beneficiar dos avanços da química, ao mesmo tempo em que traz novas tecnologias para a física da bateria por meio de um design físico inovador da célula da bateria. A nova arquitetura de bateria atinge melhorias significativas de desempenho em uma variedade de dimensões sem exigir qualquer alteração na química da bateria.
“Os eletrodos de bateria atuais são fabricados com películas muito finas, semelhantes às folhas de alumínio comuns que usamos para embrulhar alimentos”, disse Vladimir Yufit, CTO da Addionics. “O objetivo deles é coletar corrente de materiais ativos em baterias, e essa abordagem tem sido a mesma há décadas. Nossa ideia foi pegar essa película fina e torná-la tridimensional, com design e arquitetura diferenciados. O foco da empresa é projetar esses eletrodos tridimensionais de metal poroso, fabricá-los e construir baterias baseadas neste avançado tecnologia. "
Pegando a estrutura existente em camadas 2D de eletrodos e substituindo-a por uma estrutura 3D integrada, a Addionics desenvolveu uma tecnologia capaz de melhorar o desempenho da bateria drasticamente, reduzindo o custo e o tempo de carregamento, enquanto aumenta a densidade de potência e energia da bateria. O método de fabricação de metal 3D escalonável e patenteado minimiza a resistência interna e melhora a longevidade mecânica, estabilidade térmica e outras limitações típicas e fatores de degradação que podem ser encontrados em baterias padrão.
As baterias de hoje enfrentam uma compensação de energia para gerar energia: elas podem armazenar mais energia ou podem ser carregadas e descarregadas mais rapidamente. Para aplicações EV, isso significa que não há bateria que forneça longo alcance e carregamento rápido ao mesmo tempo. Outro problema relacionado à tecnologia atual da bateria é a chamada incompatibilidade anodo-catodo. Os últimos avanços na química da bateria de íon-lítio abrangem o uso de silício no ânodo da bateria, em vez de apenas grafite puro.
Infelizmente, as químicas de cátodo dominantes de hoje não são capazes de corresponder aos altos níveis de energia do ânodo, limitando a introdução dessas novas tecnologias. Addionics fornece uma solução para esses dois problemas principais, redesenhando a célula. Além disso, a tecnologia Addionics pode ser aplicada a ânodos e cátodos, o que significa que cátodos mais grossos e de alta energia podem ser construídos usando arquitetura avançada. Os cátodos com essas estruturas 3D terão maior energia e corresponderão à capacidade das tecnologias emergentes de ânodo de alta energia.
“Nossa solução adota uma abordagem de física, não química; isso significa que podemos trabalhar com quase qualquer tipo de química de bateria e podemos ajustar nossa tecnologia a novas regulamentações ou novos materiais ”, disse Yufit.
As químicas de bateria existentes podem ter seu desempenho melhorado com eletrodos 3D, e as químicas avançadas emergentes podem ter desafios de implementação superados por meio de estruturas 3D. A Addionics já demonstrou a vantagem dos eletrodos 3D com vários tipos de produtos químicos.
Figura 1: Design da célula 3D da Addionics (Fonte: Addionics)
Eletrodo de metal poroso
A ideia básica da Addionics é fazer eletrodos 3D altamente porosos que substituam as clássicas folhas de metal. Dessa forma, é possível aumentar significativamente a superfície externa dos próprios eletrodos, com resultados positivos no funcionamento das células. Ter uma estrutura 3D permite um melhor transporte de eletrólitos e, como resultado, uma menor resistência interna. A Figura 1 fornece uma comparação entre a estrutura da bateria convencional (à esquerda) e o design da célula 3D da Addionics (à direita).
Na estrutura de bateria convencional, o material ativo (preto e roxo) é revestido em folha de metal 2D nas estruturas anódica e catódica, enquanto no design de célula 3D da Addionics (eletrodos 3D), eletrodos integrados com material ativo são incorporados dentro do metal 3D. Ao mudar para designs de eletrodos 3D, as baterias podem alcançar três melhorias principais de desempenho: maior densidade de energia, menor resistência interna e desempenho mais seguro e duradouro devido à melhor dissipação de calor e maior estabilidade mecânica.
A estrutura porosa inventada pela Addionics aumenta o desempenho sem afetar o funcionamento do eletrodo, que permanece homogêneo e estável mesmo com o aumento da potência utilizada para o carregamento. Isso significa que, com um eletrodo 3D, uma bateria de íons de lítio pode durar o dobro, recarregar mais rápido e permitir um aumento no alcance de EVs. A Figura 2 mostra como eletrodos 3D podem aumentar a vida útil da bateria. O primeiro protótipo de célula de bolsa Addionics (verde) demonstrou mais de 2,000 ciclos com apenas 20% de degradação da capacidade, em comparação com células padrão baseadas em folha (preto).
Figura 2: A tecnologia de eletrodo 3D da Addionics comprovadamente aumenta a vida útil da bateria. (Fonte: Addionics)
A Addionics também desenvolveu uma abordagem inovadora para a manufatura que não apenas produz estruturas 3D a um custo competitivo de mercado, mas também pode reduzir custos. Para otimizar o projeto da estrutura metálica 3D, a Addionics desenvolveu um software de modelagem de bateria baseado em IA avançada que orienta o processo de fabricação para criar estruturas ideais. Finalmente, para implementar com sucesso estruturas de bateria 3D em escala, novos processos de revestimento precisam ser desenvolvidos para revestir estruturas metálicas 3D de maneira uniforme.
A Addionics tem parcerias com grandes empresas para desenvolver baterias, incluindo aquelas que trabalham no desenvolvimento de VEs e trens de força. “Nosso objetivo ambicioso é colocar nossas baterias em todos os veículos elétricos”, disse Yufit. “Embora nossa tecnologia possa ser utilizada por OEMs, nossos aplicativos também podem ser úteis em produtos eletrônicos de consumo, o que pode ser ainda mais crítico, pois esses dispositivos podem usar menos baterias e menores devido a limitações de espaço muito apertadas. Atualmente, estamos focados em melhorar a densidade de energia em três produtos químicos de bateria principais: silício, LFP [fosfato de ferro-lítio] e de estado sólido. ”
O artigo foi publicado originalmente na publicação irmã Power Electronics News.