新的物理設(shè)計支持下一代電池

氣候變化和溫室氣體排放，以及對可再生能源和更可持續(xù)未來的需求，正在推動全球經(jīng)濟向電動汽車發(fā)展。為了取得成功，電動汽車 （EV） 的采用和其他正在進行的電氣化過程需要更高效、更具成本效益和更安全的電池。過去幾年，在創(chuàng)造下一代電池方面付出了巨大的努力和投資，主要集中在電池化學(xué)、新化學(xué)配方以及鋰硫和鋰金屬電池等新材料上。

Addionics的技術(shù)

Addionics 是一家以色列/英國的初創(chuàng)公司，它采用了與其他公司不同的方法，專注于物理而不是化學(xué)。Addionics 的化學(xué)不可知方法意味著它仍然可以受益于化學(xué)的進步，同時通過電池的創(chuàng)新物理設(shè)計為電池物理學(xué)帶來新技術(shù)。新的電池架構(gòu)在各種維度上實現(xiàn)了顯著的性能改進，而無需對電池化學(xué)進行任何改變。

“今天的電池電極是使用非常薄的箔膜制造的，類似于我們用來包裹食物的普通鋁箔，”Addionics 的 CTO Vladimir Yufit 說?！八麄兊哪康氖菑碾姵鼗钚圆牧现惺占?a href="http://wenjunhu.com/tags/電流/" target="_blank">電流，這種方法幾十年來一直是一樣的。我們的想法是采用這種薄箔并使其立體化，具有不同的設(shè)計和架構(gòu)。公司的重點是設(shè)計這些三維多孔金屬電極，制造它們，并基于這種先進技術(shù)制造電池。”

通過采用現(xiàn)有的電極的 2D 分層結(jié)構(gòu)并用集成的 3D 結(jié)構(gòu)替換它，Addionics 開發(fā)了一種技術(shù)，能夠顯著提高電池性能，降低成本和充電時間，同時提高電池的功率密度和能量。獲得專利且可擴展的 3D 金屬制造方法最大限度地減少了內(nèi)阻，并提高了機械壽命、熱穩(wěn)定性以及標(biāo)準(zhǔn)電池中可能存在的其他典型限制和退化因素。

今天的電池面臨著能量與功率的權(quán)衡：它們可以存儲更多的能量，或者可以更快地充電和放電。對于電動汽車應(yīng)用，這意味著沒有電池可以同時提供長距離和快速充電。與當(dāng)前電池技術(shù)相關(guān)的另一個問題是所謂的陽極-陰極失配。鋰離子電池化學(xué)的最新進展包括在電池陽極中使用硅，而不僅僅是純石墨。不幸的是，當(dāng)今主要的陰極化學(xué)物質(zhì)無法與高陽極能量水平相匹配，從而限制了這些新技術(shù)的引入。Addionics 通過重新設(shè)計電池為這兩個關(guān)鍵問題提供了解決方案。此外，Addionics 技術(shù)可以應(yīng)用于陽極和陰極，這意味著可以使用先進的架構(gòu)建造更厚、更高能量的陰極。具有這些 3D 結(jié)構(gòu)的陰極將具有更高的能量，并與新興的高能陽極技術(shù)的容量相匹配。

“我們的解決方案采用物理方法，而不是化學(xué)方法；這意味著我們幾乎可以使用任何類型的電池化學(xué)物質(zhì)，我們可以根據(jù)新法規(guī)或新材料調(diào)整我們的技術(shù)，”Yufit 說。

現(xiàn)有的電池化學(xué)物質(zhì)可以通過 3D 電極提高其性能，新興的先進化學(xué)物質(zhì)可以通過 3D 結(jié)構(gòu)克服實施挑戰(zhàn)。Addionics 已經(jīng)證明了具有各種化學(xué)類型的 3D 電極的優(yōu)勢。

多孔金屬電極

Addionics 的基本理念是制造高度多孔的 3D 電極，以取代經(jīng)典的金屬箔。通過這種方式，可以顯著增加電極本身的外表面，從而對細胞的功能產(chǎn)生積極的影響。具有 3D 結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)更好的電解質(zhì)傳輸，從而降低內(nèi)阻。圖 1 提供了傳統(tǒng)電池結(jié)構(gòu)（左側(cè)）和 Addionics 的 3D 電池設(shè)計（右側(cè)）之間的比較。在傳統(tǒng)的電池結(jié)構(gòu)中，活性材料（黑色和紫色）涂覆在陽極和陰極結(jié)構(gòu)的 2D 金屬箔上，而在 Addionics 的 3D 電池設(shè)計（3D 電極）中，具有活性材料的集成電極嵌入 3D 金屬內(nèi)部。通過轉(zhuǎn)向 3D 電極設(shè)計，

圖 1：Addionics 的 3D 單元設(shè)計

Addionics 發(fā)明的多孔結(jié)構(gòu)在不影響電極功能的情況下提高了性能，即使用于充電的功率增加，電極仍能保持均勻和穩(wěn)定。這意味著使用 3D 電極，鋰離子電池的使用壽命可以延長兩倍，充電速度更快，并且可以增加電動汽車的續(xù)航里程。圖 2 顯示了 3D 電極如何延長電池壽命。與基于箔（黑色）的標(biāo)準(zhǔn)電池相比，第一個 Addionics（綠色）軟包電池原型展示了超過 2，000 次循環(huán)，容量僅下降 20%。

圖 2：3D 電極技術(shù)已被證明可以延長電池壽命。

Addionics 還開發(fā)了一種創(chuàng)新的制造方法，不僅可以以具有市場競爭力的成本生產(chǎn) 3D 結(jié)構(gòu)，還可以降低成本。為了優(yōu)化 3D 金屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計，Addionics 開發(fā)了一種先進的基于 AI 的電池建模軟件，可指導(dǎo)制造過程創(chuàng)建最佳結(jié)構(gòu)。最后，為了成功地大規(guī)模實施 3D 電池結(jié)構(gòu)，需要開發(fā)新的涂層工藝以均勻地涂覆 3D 金屬結(jié)構(gòu)。

應(yīng)用

Addionics 與大公司合作開發(fā)電池，包括那些致力于開發(fā)電動汽車和動力系統(tǒng)的公司?！拔覀冃坌牟哪繕?biāo)是將我們的電池用于每輛電動汽車，”Yufit 說?！半m然我們的技術(shù)可以被原始設(shè)備制造商利用，但我們的應(yīng)用程序也可以用于消費電子產(chǎn)品，這可能更加重要，因為這些設(shè)備由于空間有限而可以使用更少和更小的電池。我們目前專注于提高三種主要電池化學(xué)物質(zhì)的能量密度：硅、LFP ［磷酸鐵鋰］和固態(tài)。”