Biến đổi khí hậu và phát thải khí nhà kính, cùng với nhu cầu về năng lượng tái tạo và một tương lai bền vững hơn, đang thúc đẩy nền kinh tế toàn cầu hướng tới sự di chuyển bằng điện. Để thành công, việc áp dụng xe điện (EV) và các quy trình điện khí hóa khác đòi hỏi sự sẵn có của các loại pin hiệu quả hơn, tiết kiệm chi phí và an toàn hơn. Trong vài năm qua, những nỗ lực và đầu tư khổng lồ đã được dành để tạo ra pin thế hệ tiếp theo, chủ yếu bằng cách tập trung vào hóa học pin, công thức hóa học mới và các vật liệu mới như pin lithium-lưu huỳnh và pin lithium-kim loại.
Addionics, một công ty khởi nghiệp của Israel / Vương quốc Anh, đã đi theo một cách tiếp cận khác với các công ty khác, tập trung vào vật lý thay vì hóa học. Phương pháp tiếp cận bất khả tri hóa học của Addionics có nghĩa là nó vẫn có thể hưởng lợi từ những tiến bộ trong hóa học trong khi mang lại công nghệ mới cho vật lý pin thông qua một thiết kế vật lý sáng tạo của tế bào pin. Kiến trúc pin mới đạt được những cải tiến hiệu suất đáng kể trên nhiều kích thước khác nhau mà không yêu cầu bất kỳ sự thay đổi nào về hóa học của pin.
Vladimir Yufit, CTO của Addionics cho biết: “Các điện cực của pin ngày nay được sản xuất bằng màng lá rất mỏng, tương tự như lá nhôm thông thường mà chúng ta dùng để bọc thực phẩm”. “Mục đích của họ là thu thập dòng điện từ các vật liệu hoạt động bằng pin và phương pháp này vẫn được áp dụng trong nhiều thập kỷ. Ý tưởng của chúng tôi là lấy lá mỏng này và biến nó thành không gian ba chiều, với thiết kế và kiến trúc khác. Trọng tâm của công ty là thiết kế các điện cực kim loại xốp ba chiều này, sản xuất chúng và chế tạo pin dựa trên công nghệ tiên tiến này. công nghệ".
Bằng cách sử dụng cấu trúc lớp 2D hiện có của các điện cực và thay thế bằng cấu trúc 3D tích hợp, Addionics đã phát triển một công nghệ có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của pin, giảm chi phí và thời gian sạc, đồng thời tăng mật độ và năng lượng của pin. Phương pháp chế tạo kim loại 3D có thể mở rộng và được cấp bằng sáng chế giảm thiểu điện trở bên trong và cải thiện tuổi thọ cơ học, độ ổn định nhiệt cũng như các hạn chế và yếu tố xuống cấp điển hình khác có thể tìm thấy trong pin tiêu chuẩn.
Pin ngày nay phải đối mặt với sự cân bằng năng lượng: Chúng có thể tích trữ nhiều năng lượng hơn hoặc có thể sạc và xả nhanh hơn. Đối với các ứng dụng EV, điều này có nghĩa là không có pin nào có thể cung cấp tầm xa và sạc nhanh cùng một lúc. Một vấn đề khác liên quan đến công nghệ pin hiện tại là cái gọi là sự không phù hợp giữa cực dương và cực âm. Những tiến bộ mới nhất trong hóa học pin lithium-ion bao gồm việc sử dụng silicon trong cực dương của pin thay vì chỉ than chì đơn thuần.
Thật không may, các nhà hóa học cực âm hiện nay không thể phù hợp với mức năng lượng cực dương cao, hạn chế sự ra đời của những công nghệ mới này. Addionics cung cấp giải pháp cho cả hai vấn đề chính này bằng cách thiết kế lại ô. Hơn nữa, công nghệ Addionics có thể được áp dụng cho cả cực dương và cực âm, có nghĩa là các cực âm dày hơn và năng lượng cao hơn có thể được xây dựng bằng cách sử dụng kiến trúc tiên tiến. Các catốt có cấu trúc 3D này sẽ có năng lượng cao hơn và phù hợp với công suất của các công nghệ anốt năng lượng cao mới nổi.
“Giải pháp của chúng tôi theo cách tiếp cận vật lý, không phải hóa học; điều đó có nghĩa là chúng tôi có thể làm việc với hầu hết mọi loại pin hóa học và chúng tôi có thể điều chỉnh công nghệ của mình theo các quy định mới hoặc vật liệu mới, ”Yufit nói.
Các nhà máy hóa học pin hiện tại có thể cải thiện hiệu suất của chúng với các điện cực 3D và các nhà máy hóa học tiên tiến mới nổi có thể vượt qua các thách thức triển khai thông qua cấu trúc 3D. Addionics đã chứng minh lợi thế của điện cực 3D với nhiều loại hóa chất khác nhau.
Hình 1: Thiết kế tế bào 3D của Addionics (Nguồn: Addionics)
Điện cực kim loại xốp
Ý tưởng cơ bản của Addionics là tạo ra các điện cực 3D có độ xốp cao để thay thế các lá kim loại cổ điển. Bằng cách này, có thể làm tăng đáng kể bề mặt bên ngoài của chính các điện cực, với kết quả tích cực về hoạt động của các tế bào. Có cấu trúc 3D cho phép vận chuyển chất điện phân tốt hơn và do đó, điện trở bên trong thấp hơn. Hình 1 cung cấp sự so sánh giữa cấu trúc pin thông thường (bên trái) và thiết kế tế bào 3D của Addionics (bên phải).
Trong cấu trúc pin thông thường, vật liệu hoạt động (đen và tím) được phủ lên lá kim loại 2D trong cấu trúc cực dương và cực âm, trong khi trong thiết kế tế bào 3D của Addionics (điện cực 3D), các điện cực tích hợp với vật liệu hoạt động được nhúng bên trong kim loại 3D. Bằng cách chuyển sang thiết kế điện cực 3D, pin có thể đạt được ba cải tiến hiệu suất chính: mật độ năng lượng tăng, điện trở bên trong thấp hơn và hiệu suất an toàn hơn và lâu dài hơn do tản nhiệt tốt hơn và độ ổn định cơ học cao hơn.
Cấu trúc xốp do Addionics phát minh làm tăng hiệu suất mà không ảnh hưởng đến hoạt động của điện cực, điện cực vẫn đồng nhất và ổn định ngay cả khi nguồn điện được sử dụng để sạc tăng lên. Điều này có nghĩa là với điện cực 3D, pin lithium-ion có thể kéo dài gấp đôi, sạc lại nhanh hơn và cho phép tăng phạm vi EV. Hình 2 cho thấy cách điện cực 3D có thể tăng tuổi thọ của pin. Nguyên mẫu tế bào túi Addionics (màu xanh lá cây) đầu tiên đã chứng minh hơn 2,000 chu kỳ với chỉ 20% suy giảm dung lượng, so với các tế bào tiêu chuẩn dựa trên giấy bạc (màu đen).
Hình 2: Công nghệ điện cực 3D của Addionics đã được chứng minh là giúp tăng tuổi thọ của pin. (Nguồn: Addionics)
Addionics cũng đã phát triển một cách tiếp cận sáng tạo để sản xuất không chỉ tạo ra cấu trúc 3D với chi phí cạnh tranh thị trường mà còn có thể hạ giá thành. Để tối ưu hóa thiết kế của cấu trúc kim loại 3D, Addionics đã phát triển một phần mềm mô hình hóa pin dựa trên AI tiên tiến để hướng dẫn quy trình sản xuất nhằm tạo ra các cấu trúc tối ưu. Cuối cùng, để thực hiện thành công các cấu trúc pin 3D trên quy mô lớn, các quy trình phủ mới cần được phát triển để phủ đồng nhất các cấu trúc kim loại 3D.
Addionics có quan hệ đối tác với các công ty lớn để phát triển pin, bao gồm cả những công ty đang phát triển xe điện và hệ truyền động. Yufit cho biết: “Mục tiêu đầy tham vọng của chúng tôi là đưa pin vào mọi xe điện. “Mặc dù các OEM có thể sử dụng công nghệ của chúng tôi, nhưng các ứng dụng của chúng tôi cũng có thể hữu ích trong thiết bị điện tử tiêu dùng, điều này thậm chí còn quan trọng hơn vì các thiết bị này có thể sử dụng ít pin hơn và nhỏ hơn do giới hạn về không gian rất chật hẹp. Chúng tôi hiện đang tập trung vào việc cải thiện mật độ năng lượng trong ba loại hóa chất pin chính: silicon, LFP [lithium iron phosphate] và thể rắn.”
Bài báo ban đầu được xuất bản tại ấn phẩm chị em Power Electronics News.