氣候變化和溫室氣體排放，以及對(duì)可再生能源和更可持續(xù)未來(lái)的需求，正在推動(dòng)全球經(jīng)濟(jì)向電動(dòng)汽車發(fā)展。為了取得成功，電動(dòng)汽車 （EV） 的采用和其他正在進(jìn)行的電氣化過(guò)程需要更高效、更具成本效益和更安全的電池。過(guò)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(guó)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(jìn)步，同時(shí)通過(guò)電池的創(chuàng)新物理設(shè)計(jì)為電池物理學(xué)帶來(lái)新技術(shù)。新的電池架構(gòu)在各種維度上實(shí)現(xiàn)了顯著的性能改進(jìn)，而無(wú)需對(duì)電池化學(xué)進(jìn)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(lái)包裹食物的普通鋁箔，”Addionics 的 CTO Vladimir Yufit 說(shuō)。“他們的目的是從電池活性材料中收集電流，這種方法幾十年來(lái)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(jì)和架構(gòu)。公司的重點(diǎn)是設(shè)計(jì)這些三維多孔金屬電極，制造它們，并基于這種先進(jìn)技術(shù)制造電池。”

通過(guò)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(shí)間，同時(shí)提高電池的功率密度和能量。獲得專利且可擴(kuò)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(jī)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(chǔ)更多的能量，或者可以更快地充電和放電。對(duì)于電動(dòng)汽車應(yīng)用，這意味著沒(méi)有電池可以同時(shí)提供長(zhǎng)距離和快速充電。與當(dāng)前電池技術(shù)相關(guān)的另一個(gè)問(wèn)題是所謂的陽(yáng)極-陰極失配。鋰離子電池化學(xué)的最新進(jìn)展包括在電池陽(yáng)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(wú)法與高陽(yáng)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(guò)重新設(shè)計(jì)電池為這兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題提供了解決方案。此外，Addionics 技術(shù)可以應(yīng)用于陽(yáng)極和陰極，這意味著可以使用先進(jìn)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(yáng)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(shuō)。

現(xiàn)有的電池化學(xué)物質(zhì)可以通過(guò) 3D 電極提高其性能，新興的先進(jìn)化學(xué)物質(zhì)可以通過(guò) 3D 結(jié)構(gòu)克服實(shí)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(shì)。

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(guò)這種方式，可以顯著增加電極本身的外表面，從而對(duì)細(xì)胞的功能產(chǎn)生積極的影響。具有 3D 結(jié)構(gòu)可以實(shí)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(jì)（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(yáng)極和陰極結(jié)構(gòu)的 2D 金屬箔上，而在 Addionics 的 3D 電池設(shè)計(jì)（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(guò)轉(zhuǎn)向 3D 電極設(shè)計(jì)，

圖 1：Addionics 的 3D 單元設(shè)計(jì)

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(zhǎng)兩倍，充電速度更快，并且可以增加電動(dòng)汽車的續(xù)航里程。圖 2 顯示了 3D 電極如何延長(zhǎng)電池壽命。與基于箔（黑色）的標(biāo)準(zhǔn)電池相比，第一個(gè) Addionics（綠色）軟包電池原型展示了超過(guò) 2，000 次循環(huán)，容量?jī)H下降 20%。

圖 2：3D 電極技術(shù)已被證明可以延長(zhǎng)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(jì)，Addionics 開發(fā)了一種先進(jìn)的基于 AI 的電池建模軟件，可指導(dǎo)制造過(guò)程創(chuàng)建最佳結(jié)構(gòu)。最后，為了成功地大規(guī)模實(shí)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(dòng)汽車和動(dòng)力系統(tǒng)的公司。“我們雄心勃勃的目標(biāo)是將我們的電池用于每輛電動(dòng)汽車，”Yufit 說(shuō)。“雖然我們的技術(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(fèi)電子產(chǎn)品，這可能更加重要，因?yàn)檫@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)。”