การเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศและการปล่อยก๊าซเรือนกระจก ประกอบกับความต้องการพลังงานหมุนเวียนและอนาคตที่ยั่งยืนยิ่งขึ้น กำลังผลักดันเศรษฐกิจโลกไปสู่การขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้า เพื่อให้ประสบความสำเร็จ การนำรถยนต์ไฟฟ้า (EV) มาใช้และกระบวนการอื่นๆ ที่ใช้พลังงานไฟฟ้าจำเป็นต้องมีแบตเตอรี่ที่มีประสิทธิภาพ คุ้มค่า และปลอดภัยกว่า ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา มีการใช้ความพยายามและการลงทุนอย่างมหาศาลเพื่อสร้างแบตเตอรี่รุ่นต่อไป โดยมุ่งเน้นที่เคมีของแบตเตอรี่ สูตรทางเคมีใหม่ และวัสดุใหม่ เช่น แบตเตอรี่ลิเธียม-ซัลเฟอร์ และแบตเตอรี่ลิเธียมเมทัล
Addionics ซึ่งเป็นบริษัทสตาร์ทอัพสัญชาติอิสราเอล/สหราชอาณาจักร ได้ปฏิบัติตามแนวทางที่แตกต่างไปจากบริษัทอื่นๆ โดยเน้นที่ฟิสิกส์แทนที่จะเป็นเคมี แนวทางที่ไม่เกี่ยวกับเคมีและไม่เชื่อเรื่องพระเจ้าของ Addionics หมายความว่ายังคงได้รับประโยชน์จากความก้าวหน้าทางเคมีในขณะที่นำเทคโนโลยีใหม่ๆ มาสู่ฟิสิกส์ของแบตเตอรี่ผ่านการออกแบบทางกายภาพที่เป็นนวัตกรรมของเซลล์แบตเตอรี่ สถาปัตยกรรมแบตเตอรี่ใหม่ประสบความสำเร็จในการปรับปรุงประสิทธิภาพที่สำคัญในมิติต่างๆ โดยไม่ต้องเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางเคมีของแบตเตอรี่
“อิเล็กโทรดแบตเตอรี่ในปัจจุบันผลิตขึ้นโดยใช้ฟิล์มฟอยล์บางมาก คล้ายกับอลูมิเนียมฟอยล์ทั่วไปที่เราใช้ในการห่ออาหาร” Vladimir Yufit, CTO ของ Addionics กล่าว “จุดประสงค์ของพวกเขาคือเพื่อรวบรวมกระแสไฟฟ้าจากวัสดุที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ และแนวทางนี้ก็เหมือนกันมานานหลายทศวรรษแล้ว แนวคิดของเราคือการนำฟอยล์บางๆ นี้มาสร้างเป็นสามมิติ โดยมีการออกแบบและสถาปัตยกรรมที่แตกต่างกัน จุดมุ่งเน้นของบริษัทคือการออกแบบอิเล็กโทรดโลหะที่มีรูพรุนสามมิติ ผลิตอิเล็กโทรด และสร้างแบตเตอรี่โดยใช้พื้นฐานขั้นสูงนี้ เทคโนโลยี".
การนำโครงสร้างอิเล็กโทรดแบบ 2 มิติที่มีอยู่มาใช้และแทนที่ด้วยโครงสร้าง 3 มิติแบบบูรณาการ Addionics ได้พัฒนาเทคโนโลยีที่สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ได้อย่างมาก ลดต้นทุนและเวลาในการชาร์จ ในขณะที่เพิ่มความหนาแน่นของพลังงานและพลังงานของแบตเตอรี่ วิธีการประดิษฐ์โลหะ 3 มิติที่ได้รับการจดสิทธิบัตรและปรับขนาดได้ช่วยลดความต้านทานภายในและเพิ่มอายุการใช้งานทางกล ความเสถียรทางความร้อน และข้อจำกัดทั่วไปอื่นๆ และปัจจัยการเสื่อมสภาพที่สามารถพบได้ในแบตเตอรี่มาตรฐาน
แบตเตอรี่ในปัจจุบันต้องเผชิญกับการแลกเปลี่ยนพลังงานเพื่อทดแทนพลังงาน: พวกเขาสามารถเก็บพลังงานได้มากขึ้น หรือสามารถชาร์จและคายประจุได้เร็วกว่า สำหรับการใช้งาน EV นี่หมายความว่าไม่มีแบตเตอรี่ที่สามารถให้ระยะไกลและการชาร์จที่รวดเร็วในเวลาเดียวกัน ปัญหาอื่นที่เกี่ยวข้องกับเทคโนโลยีแบตเตอรี่ในปัจจุบันคือสิ่งที่เรียกว่าไม่ตรงกันขั้วบวก-แคโทด ความก้าวหน้าล่าสุดในด้านเคมีของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนรวมถึงการใช้ซิลิกอนในแอโนดของแบตเตอรี่แทนที่จะเป็นกราไฟท์บริสุทธิ์
น่าเสียดายที่เคมีแคโทดที่โดดเด่นในปัจจุบันไม่สามารถจับคู่กับระดับพลังงานแอโนดที่สูงได้ ซึ่งเป็นการจำกัดการแนะนำเทคโนโลยีใหม่เหล่านี้ Addionics ช่วยแก้ปัญหาหลักทั้งสองนี้ด้วยการออกแบบเซลล์ใหม่ นอกจากนี้ เทคโนโลยี Addionics ยังสามารถนำไปใช้กับทั้งแอโนดและแคโทด ซึ่งหมายความว่าแคโทดที่มีพลังงานหนาและสูงกว่าสามารถสร้างได้โดยใช้สถาปัตยกรรมขั้นสูง แคโทดที่มีโครงสร้าง 3 มิติเหล่านี้จะมีพลังงานสูงกว่าและตรงกับความสามารถของเทคโนโลยีแอโนดพลังงานสูงที่เกิดขึ้นใหม่
“โซลูชันของเราใช้แนวทางฟิสิกส์ ไม่ใช่เคมี ซึ่งหมายความว่าเราสามารถทำงานกับสารเคมีของแบตเตอรี่ได้แทบทุกชนิด และเราสามารถปรับเทคโนโลยีของเราให้เข้ากับกฎระเบียบใหม่หรือวัสดุใหม่ได้” Yufit กล่าว
เคมีแบตเตอรี่ที่มีอยู่สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพด้วยอิเล็กโทรด 3 มิติ และเคมีขั้นสูงที่เกิดขึ้นใหม่สามารถเอาชนะความท้าทายในการใช้งานผ่านโครงสร้าง 3 มิติ Addionics ได้แสดงให้เห็นแล้วถึงข้อดีของอิเล็กโทรด 3 มิติกับเคมีประเภทต่างๆ
รูปที่ 1: การออกแบบเซลล์ 3 มิติของ Addionics (ที่มา: Addionics)
อิเล็กโทรดโลหะที่มีรูพรุน
แนวคิดพื้นฐานของ Addionics คือการสร้างอิเล็กโทรด 3 มิติที่มีรูพรุนสูงเพื่อแทนที่ฟอยล์โลหะแบบคลาสสิก ด้วยวิธีนี้ สามารถเพิ่มพื้นผิวภายนอกของอิเล็กโทรดได้อย่างมีนัยสำคัญ โดยมีผลบวกต่อการทำงานของเซลล์ การมีโครงสร้าง 3 มิติช่วยให้ขนส่งอิเล็กโทรไลต์ได้ดีขึ้น และทำให้ความต้านทานภายในลดลง รูปที่ 1 แสดงการเปรียบเทียบระหว่างโครงสร้างแบตเตอรี่ทั่วไป (ด้านซ้าย) กับการออกแบบเซลล์ 3 มิติของ Addionics (ด้านขวา)
ในโครงสร้างแบตเตอรี่ทั่วไป วัสดุที่ใช้งาน (สีดำและสีม่วง) จะถูกเคลือบบนฟอยล์โลหะ 2 มิติในโครงสร้างขั้วบวกและขั้วลบ ในขณะที่การออกแบบเซลล์ 3 มิติ (อิเล็กโทรด 3 มิติของ Addionics) อิเล็กโทรดที่รวมเข้ากับวัสดุที่ใช้งานจะถูกฝังอยู่ภายในโลหะ 3 มิติ เมื่อเปลี่ยนไปใช้การออกแบบอิเล็กโทรด 3 มิติ แบตเตอรี่สามารถบรรลุการปรับปรุงประสิทธิภาพหลักสามประการ: ความหนาแน่นของพลังงานที่เพิ่มขึ้น ความต้านทานภายในที่ต่ำลง และประสิทธิภาพที่ปลอดภัยและยาวนานขึ้น เนื่องจากการระบายความร้อนที่ดีขึ้นและความเสถียรทางกลที่สูงขึ้น
โครงสร้างที่มีรูพรุนที่คิดค้นโดย Addionics ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพโดยไม่กระทบต่อการทำงานของอิเล็กโทรด ซึ่งยังคงความเป็นเนื้อเดียวกันและมีเสถียรภาพแม้ในขณะที่กำลังชาร์จเพิ่มขึ้น ซึ่งหมายความว่าเมื่อใช้อิเล็กโทรด 3 มิติ แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจะมีอายุการใช้งานยาวนานขึ้นสองเท่า ชาร์จใหม่ได้เร็วกว่า และเพิ่มระยะใน EVs รูปที่ 2 แสดงให้เห็นว่าอิเล็กโทรด 3 มิติสามารถเพิ่มอายุการใช้งานแบตเตอรี่ได้อย่างไร ต้นแบบเซลล์กระเป๋า Addionics (สีเขียว) ตัวแรกแสดงให้เห็นมากกว่า 2,000 รอบโดยมีการย่อยสลายความจุเพียง 20% เมื่อเทียบกับเซลล์มาตรฐานที่ใช้กระดาษฟอยล์ (สีดำ)
รูปที่ 2: เทคโนโลยีอิเล็กโทรด 3 มิติของ Addionics ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าช่วยเพิ่มอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ (ที่มา: Addionics)
นอกจากนี้ Addionics ยังได้พัฒนาแนวทางใหม่ในการผลิต ซึ่งไม่เพียงแต่สร้างโครงสร้าง 3 มิติด้วยต้นทุนที่แข่งขันได้ในตลาดเท่านั้น แต่ยังสามารถลดต้นทุนได้อีกด้วย เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบโครงสร้างโลหะ 3 มิติ Addionics ได้พัฒนาซอฟต์แวร์สร้างแบบจำลองแบตเตอรี่ที่ใช้ AI ขั้นสูงซึ่งจะแนะนำกระบวนการผลิตเพื่อสร้างโครงสร้างที่เหมาะสมที่สุด สุดท้าย ในการปรับใช้โครงสร้างแบตเตอรี่ 3 มิติในระดับที่ประสบความสำเร็จ จำเป็นต้องมีการพัฒนากระบวนการเคลือบใหม่เพื่อเคลือบโครงสร้างโลหะ 3 มิติอย่างสม่ำเสมอ
Addionics มีความร่วมมือกับบริษัทขนาดใหญ่ในการพัฒนาแบตเตอรี่ รวมถึงบริษัทที่ทำงานเกี่ยวกับการพัฒนา EVs และระบบส่งกำลัง “เป้าหมายที่ทะเยอทะยานของเราคือการนำแบตเตอรี่ของเราไปใช้กับรถยนต์ไฟฟ้าทุกคัน” Yufit กล่าว “ในขณะที่เทคโนโลยีของเราสามารถนำไปใช้โดย OEM ได้ แอปพลิเคชันของเรายังมีประโยชน์ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค ซึ่งอาจมีความสำคัญมากกว่าเดิม เนื่องจากอุปกรณ์เหล่านี้สามารถใช้แบตเตอรี่น้อยลงและมีขนาดเล็กลงเนื่องจากพื้นที่จำกัดที่จำกัดมาก ขณะนี้เรามุ่งเน้นที่การปรับปรุงความหนาแน่นของพลังงานในสามเคมีหลักของแบตเตอรี่ ได้แก่ ซิลิกอน LFP [ลิเธียมเหล็กฟอสเฟต] และโซลิดสเตต”
บทความนี้ตีพิมพ์ครั้งแรกที่สำนักพิมพ์ Power Electronics News ของน้องสาว