Изменение климата и выбросы парниковых газов, а также потребность в возобновляемых источниках энергии и более устойчивом будущем подталкивают мировую экономику к электрической мобильности. Для успешного внедрения электромобилей и других процессов электрификации требуется наличие более эффективных, экономичных и безопасных аккумуляторов. За последние несколько лет огромные усилия и инвестиции были потрачены на создание аккумуляторов следующего поколения, в основном сосредоточившись на химии аккумуляторов, новых химических формулах и новых материалах, таких как литий-серные и литий-металлические аккумуляторы.
Addionics, израильский / британский стартап, применил другой подход к другим компаниям, сосредоточившись на физике, а не на химии. Подход Addionics, не зависящий от химии, означает, что он по-прежнему может извлекать выгоду из достижений в химии, одновременно привнося новые технологии в физику аккумуляторов за счет инновационной физической конструкции аккумуляторного элемента. Новая архитектура батареи обеспечивает значительное улучшение производительности по разным параметрам, не требуя каких-либо изменений в химическом составе батареи.
«Сегодняшние аккумуляторные электроды производятся с использованием очень тонких пленок фольги, похожих на обычную алюминиевую фольгу, которую мы используем для упаковки пищевых продуктов», — сказал Владимир Юфит, технический директор Addionics. «Их цель — собирать ток из активных материалов, и этот подход остается неизменным на протяжении десятилетий. Наша идея заключалась в том, чтобы взять эту тонкую фольгу и сделать ее трехмерной, с другим дизайном и архитектурой. Целью компании является разработка трехмерных пористых металлических электродов, их производство и создание батарей на основе этого передового метода. technology".
Взяв существующую двумерную слоистую структуру электродов и заменив ее интегрированной трехмерной структурой, Addionics разработала технологию, способную значительно улучшить характеристики аккумулятора, снизить стоимость и время зарядки, одновременно увеличив плотность мощности и энергию аккумулятора. Запатентованный и масштабируемый 2D-метод изготовления металла сводит к минимуму внутреннее сопротивление и улучшает механическую долговечность, термическую стабильность и другие типичные ограничения и факторы деградации, которые можно найти в стандартных батареях.
Современные батареи сталкиваются с проблемой компромисса между энергией и мощностью: они могут хранить больше энергии или могут заряжаться и разряжаться быстрее. Для электромобилей это означает, что нет батареи, которая могла бы одновременно обеспечивать большую дальность действия и быструю зарядку. Еще одна проблема, связанная с современной технологией аккумуляторов, - это так называемое несоответствие анода и катода. Последние достижения в химии литий-ионных аккумуляторов включают использование кремния в аноде аккумулятора вместо простого графита.
К сожалению, преобладающий сегодня химический состав катодов не может соответствовать высоким уровням энергии анода, что ограничивает внедрение этих новых технологий. Addionics предлагает решение обеих этих двух ключевых проблем путем изменения конструкции ячейки. Более того, технология Addionics может применяться как к анодам, так и к катодам, что означает, что более толстые катоды с более высокой энергией могут быть построены с использованием передовой архитектуры. Катоды с такой трехмерной структурой будут иметь более высокую энергию и соответствовать мощности появляющихся высокоэнергетических анодных технологий.
«Наше решение основывается на физическом подходе, а не на химии; это означает, что мы можем работать практически с любым химическим составом аккумуляторов, и мы можем адаптировать нашу технологию к новым правилам или новым материалам », - сказал Юфит.
Существующие химические составы аккумуляторов могут быть улучшены с помощью трехмерных электродов, а возникающие передовые химические элементы могут решить проблемы реализации с помощью трехмерных структур. Addionics уже продемонстрировала преимущества 3D-электродов с различным химическим составом.
Рисунок 1: 3D-дизайн ячеек Addionics (Источник: Addionics)
Пористый металлический электрод
Основная идея Addionics - создать высокопористые 3D-электроды, которые заменят классическую металлическую фольгу. Таким образом можно значительно увеличить внешнюю поверхность самих электродов, что положительно скажется на функционировании ячеек. Трехмерная структура обеспечивает лучший перенос электролита и, как следствие, более низкое внутреннее сопротивление. На рисунке 3 показано сравнение традиционной конструкции батареи (слева) и трехмерной конструкции ячейки Addionics (справа).
В традиционной конструкции батареи активный материал (черный и фиолетовый) нанесен на двумерную металлическую фольгу в структурах анода и катода, тогда как в трехмерной конструкции ячеек Addionics (трехмерные электроды) интегрированные электроды с активным материалом встроены в трехмерный металл. Переходя к 2D-конструкции электродов, батареи могут достичь трех ключевых улучшений производительности: увеличенной плотности энергии, более низкого внутреннего сопротивления, а также более безопасных и долговечных характеристик за счет лучшего рассеивания тепла и более высокой механической стабильности.
Пористая структура, изобретенная Addionics, увеличивает производительность, не влияя на работу электрода, который остается однородным и стабильным даже при увеличении мощности, используемой для зарядки. Это означает, что с 3D-электродом литий-ионный аккумулятор может работать в два раза дольше, быстрее заряжаться и увеличивать дальность действия электромобилей. На рисунке 2 показано, как трехмерные электроды могут увеличить срок службы батареи. Первый прототип ячейки Addionics (зеленый) продемонстрировал более 3 циклов при снижении емкости всего на 2,000% по сравнению со стандартными ячейками на основе фольги (черная).
Рисунок 2: Доказано, что технология 3D-электродов Addionics увеличивает срок службы батареи. (Источник: Addionics)
Addionics также разработала инновационный подход к производству, который не только позволяет создавать трехмерные конструкции по конкурентоспособной на рынке цене, но также может снизить затраты. Чтобы оптимизировать дизайн трехмерной металлической конструкции, Addionics разработала передовое программное обеспечение для моделирования аккумуляторов на основе искусственного интеллекта, которое направляет производственный процесс для создания оптимальных структур. Наконец, чтобы успешно реализовать трехмерные конструкции аккумуляторных батарей в большом масштабе, необходимо разработать новые процессы нанесения покрытий для равномерного покрытия трехмерных металлических конструкций.
Addionics сотрудничает с крупными компаниями по разработке аккумуляторов, в том числе с теми, кто занимается разработкой электромобилей и силовых агрегатов. «Наша амбициозная цель - установить аккумуляторы в каждый электромобиль», - сказал Юфит. «Хотя наши технологии могут использоваться производителями оригинального оборудования, наши приложения также могут быть полезны в бытовой электронике, что может быть еще более важным, поскольку эти устройства могут использовать меньшее количество батарей меньшего размера из-за очень ограниченного пространства. В настоящее время мы сосредоточены на повышении плотности энергии в трех основных химических аккумуляторах: кремниевых, LFP [литий-железо-фосфат] и твердотельных ».
Статья изначально была опубликована в дочернем издании Power Electronics News.