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)交通發(fā)展。為了取得成功，?電動(dòng)汽車(chē) (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。在過(guò)去的幾年里，人們投入了巨大的精力和投資來(lái)創(chuàng)造下一代電池，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。

以色列/英國(guó)的初創(chuàng)公司Addionics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 與化學(xué)無(wú)關(guān)的方法意味著它仍然可以從化學(xué)進(jìn)步中受益，同時(shí)通過(guò)電池的創(chuàng)新物理設(shè)計(jì)將新技術(shù)引入電池物理。新的電池架構(gòu)在多個(gè)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)包裝食物的普通鋁箔，”Addionics 首席技術(shù)官 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。我們的想法是把這個(gè)薄箔做成三維的，具有不同的設(shè)計(jì)和架構(gòu)。該公司的重點(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?！?/p>

通過(guò)采用現(xiàn)有的 2D 層狀電極結(jié)構(gòu)并用集成的 3D 結(jié)構(gòu)取而代之，Addionics 開(kāi)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 金屬制造方法可最大限度地減少內(nèi)部電阻，并提高機(jī)械壽命、熱穩(wěn)定性以及標(biāo)準(zhǔn)電池中常見(jiàn)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)更多能量，或者可以更快地充電和放電。對(duì)于 EV 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)今占主導(dǎo)地位的陰極化學(xué)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)構(gòu)建更厚、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；這意味著我們可以使用幾乎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)可以通過(guò) 3D 電極提高其性能，而新興的先進(jìn)化學(xué)可以通過(guò) 3D 結(jié)構(gòu)克服實(shí)施挑戰(zhàn)。Addionics 已經(jīng)展示了具有各種化學(xué)成分的 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，以取代傳統(tǒng)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)電池的功能產(chǎn)生積極影響。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 比較了傳統(tǒng)電池結(jié)構(gòu)（左側(cè)）和 Addionics 的 3D 電池設(shè)計(jì)（右側(cè)）。

在傳統(tǒng)的電池結(jié)構(gòu)中，活性材料（黑色和紫色）被涂覆在陽(yáng)極和陰極結(jié)構(gòu)中的 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在 3D 金屬中。通過(guò)轉(zhuǎn)向 3D 電極設(shè)計(jì)，電池可以實(shí)現(xiàn)三個(gè)關(guān)鍵性能改進(jìn)：提高能量密度、降低內(nèi)阻，以及由于更好的散熱和更高的機(jī)械穩(wěn)定性而更安全、更持久的性能。

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，即使在用于充電的功率增加時(shí)也能保持均勻和穩(wěn)定。這意味著使用 3D 電極，鋰離子電池的續(xù)航時(shí)間可以延長(zhǎng)兩倍，充電速度更快，并且可以增加電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程。圖 2 顯示了 3D 電極如何延長(zhǎng)電池壽命。與基于箔的標(biāo)準(zhǔn)電池（黑色）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：Addionics 的 3D 電極技術(shù)已被證明可以延長(zhǎng)電池壽命。（來(lái)源：Addionics）

Addionics 還開(kāi)發(fā)了一種創(chuàng)新的制造方法，不僅以具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的成本生產(chǎn) 3D 結(jié)構(gòu)，而且還可以降低成本。為了優(yōu)化 3D 金屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，Addionics 開(kāi)發(fā)了一種先進(jìn)的基于 AI 的電池建模軟件，該軟件可以指導(dǎo)制造過(guò)程以創(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(kāi)發(fā)新的涂層工藝來(lái)均勻地涂層 3D 金屬結(jié)構(gòu)。

Addionics 與大公司合作開(kāi)發(fā)電池，包括那些致力于開(kāi)發(fā)電動(dòng)汽車(chē)和動(dòng)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(dòng)汽車(chē)，”Yufit 說(shuō)?！半m然我們的技術(shù)可供 OEM 使用，但我們的應(yīng)用也可用于消費(fèi)電子產(chǎn)品，這可能更為關(guān)鍵，因?yàn)檫@些設(shè)備由于空間限制非常有限，可以使用越來(lái)越少的電池。我們目前專注于提高三種主要電池化學(xué)成分的能量密度：硅、LFP [磷酸鐵鋰]和固態(tài)電池?！?/p>

審核編輯 黃昊宇