用新颖的物理设计制造更好的电池

气候变化和温室气体排放，以及对可再生能源和更可持续未来的需求，正在推动全球经济向电动交通发展。为了取得成功， 电动汽车 (EV) 的 采用和其他正在进行的电气化过程需要更高效、更具成本效益和更安全的电池。在过去的几年里，人们投入了巨大的精力和投资来创造下一代电池，主要集中在电池化学、新化学配方以及锂硫和锂金属 电池等新材料上。

以色列/英国的初创公司Addionics采用了与其他公司不同的方法，专注于物理而不是化学。Addionics 与化学无关的方法意味着它仍然可以从化学进步中受益，同时通过电池的创新物理设计将新技术引入电池物理。新的电池架构在多个维度上实现了显着的性能改进，而无需对电池化学进行任何改变。

“今天的电池电极是使用非常薄的箔膜制造的，类似于我们用来包装食物的普通铝箔，”Addionics 首席技术官 Vladimir Yufit 说。“他们的目的是从电池活性材料中收集电流，这种方法几十年来一直是一样的。我们的想法是把这个薄箔做成三维的，具有不同的设计和架构。该公司的重点是设计这些三维多孔金属电极，制造它们，并基于这种先进技术制造电池。”

通过采用现有的 2D 层状电极结构并用集成的 3D 结构取而代之，Addionics 开发了一种技术，能够显着提高电池性能，降低成本和充电时间，同时提高电池的功率密度和能量。获得专利且可扩展的 3D 金属制造方法可最大限度地减少内部电阻，并提高机械寿命、热稳定性以及标准电池中常见的其他典型限制和退化因素。

今天的电池面临着能量与功率的权衡：它们可以存储更多能量，或者可以更快地充电和放电。对于 EV 应用，这意味着没有电池可以同时提供长距离和快速充电。与当前电池技术相关的另一个问题是所谓的阳极-阴极失配。锂离子电池化学的最新进展包括在电池阳极中使用硅，而不仅仅是纯石墨。

不幸的是，当今占主导地位的阴极化学无法与高阳极能量水平相匹配，从而限制了这些新技术的引入。Addionics 通过重新设计电池为这两个关键问题提供了解决方案。此外，Addionics 技术可以应用于阳极和阴极，这意味着可以使用先进的架构构建更厚、更高能量的阴极。具有这些 3D 结构的阴极将具有更高的能量，并与新兴的高能阳极技术的容量相匹配。

“我们的解决方案采用物理方法，而不是化学方法；这意味着我们可以使用几乎任何类型的电池化学物质，我们可以根据新法规或新材料调整我们的技术，”Yufit 说。

现有的电池化学可以通过 3D 电极提高其性能，而新兴的先进化学可以通过 3D 结构克服实施挑战。Addionics 已经展示了具有各种化学成分的 3D 电极的优势。

多孔金属电极

Addionics 的基本理念是制造高度多孔的 3D 电极，以取代传统的金属箔。通过这种方式，可以显着增加电极本身的外表面，从而对电池的功能产生积极影响。具有 3D 结构可以实现更好的电解质传输，从而降低内阻。图 1 比较了传统电池结构（左侧）和 Addionics 的 3D 电池设计（右侧）。

在传统的电池结构中，活性材料（黑色和紫色）被涂覆在阳极和阴极结构中的 2D 金属箔上，而在 Addionics 的 3D 电池设计（3D 电极）中，具有活性材料的集成电极嵌入在 3D 金属中。通过转向 3D 电极设计，电池可以实现三个关键性能改进：提高能量密度、降低内阻，以及由于更好的散热和更高的机械稳定性而更安全、更持久的性能。

Addionics 发明的多孔结构在不影响电极功能的情况下提高了性能，即使在用于充电的功率增加时也能保持均匀和稳定。这意味着使用 3D 电极，锂离子电池的续航时间可以延长两倍，充电速度更快，并且可以增加电动汽车的续航里程。图 2 显示了 3D 电极如何延长电池寿命。与基于箔的标准电池（黑色）相比，第一个 Addionics（绿色）软包电池原型展示了超过 2,000 次循环，容量仅下降 20%。

图 2：Addionics 的 3D 电极技术已被证明可以延长电池寿命。（来源：Addionics）

Addionics 还开发了一种创新的制造方法，不仅以具有市场竞争力的成本生产 3D 结构，而且还可以降低成本。为了优化 3D 金属结构的设计，Addionics 开发了一种先进的基于 AI 的电池建模软件，该软件可以指导制造过程以创建最佳结构。最后，为了成功地大规模实施 3D 电池结构，需要开发新的涂层工艺来均匀地涂层 3D 金属结构。

Addionics 与大公司合作开发电池，包括那些致力于开发电动汽车和动力系统的公司。“我们雄心勃勃的目标是将我们的电池用于每辆电动汽车，”Yufit 说。“虽然我们的技术可供 OEM 使用，但我们的应用也可用于消费电子产品，这可能更为关键，因为这些设备由于空间限制非常有限，可以使用越来越少的电池。我们目前专注于提高三种主要电池化学成分的能量密度：硅、LFP [磷酸铁锂]和固态电池。”

审核编辑 黄昊宇