QuantumScape präsentiert die vollständig festkörperbasierte Osprey-Zelle: 1.000 Zyklen bei 1 atm
QuantumScape (QS) setzt schließlich voll auf den All-Solid-State-Ansatz. Seine neue Osprey-Plattform ersetzt den Flüssigkeitskathoden durch einen festen Sulfid-Elektrolyten, und das Unternehmen gibt an, dass die Zellen bereits 1.000 vollständige Zyklen bei 80 % der Kapazität bei nur einem Atmosphärendruck durchlaufen haben.
Das ist ein großer Schritt für die Anhänger des Sulfid-Ansatzes, zu denen Toyota, Samsung SDI, BYD und Factorial gehören. Ihre Zellen benötigen in der Regel starke Befestigungen, um zu funktionieren. Doch das Whitepaper hinter der Ankündigung zeigt, dass es sich um kleine, frühe Labormodelle handelt, und einige der in den Schlagzeilen genannten Werte sind unter wichtigen Bedingungen erzielt worden.
QuantumSapes derzeitige Zellen sind nicht vollständig festkörperbasiert
Hier erklärt QuantumScape etwas, das es nur selten so klar dargelegt hat: Sein aktuelles Produkt ist nicht vollständig festkörperbasiert.
Das neue Whitepaper beschreibt die QSE-Plattform, einschließlich der QSE-5-Zelle, die als Proben aus der Pilotproduktion der Eagle Line in San Jose versandt wird, als einen keramischen Trenner in Kombination mit „einem relativ herkömmlichen, hochnickelhaltigen NMC-Kathodenmaterial sowie einem flüssigen Katholysat.“
Der festkörperbasierte Bestandteil ist der Trenner. Er befindet sich zwischen der Kathode und einer Lithiummetall-Anode, die QuantumScape überhaupt nicht herstellt. Die Zelle wird „anodenfrei“ konstruiert, und während der ersten Ladung drückt sich Lithium gegen den Trenner.
Osprey behält dieses trennende Design ohne Anode bei und ersetzt die Flüssigkeit im Kathodenbereich durch einen festen Sulfid-Elektrolyten. Dadurch wird die gesamte Zelle fest.
Sulfide als Trennmittel: QS lehnt weiterhin ab
Interessanterweise hat QuantumScape seine Haltung zu Sulfiden nicht geändert. Seit Jahren behauptet das Unternehmen, dass Sulfid-Elektrolyte nicht als Trennmittel funktionieren können, und das White Paper unterstreicht dies noch einmal, indem es die Probleme als „grundlegende Eigenschaften“ des Materials statt als ingenieurtechnische Herausforderungen bezeichnet.
Das Unternehmen nennt vier Probleme: Sulfide reagieren mit Lithiummetall, sie benötigen hohen Druck, um Kontakt zu den Elektroden zu halten, sie funktionieren schlecht bei Raumtemperatur und darunter sowie sie können kein schnelles Laden mit einem Lithiummetall-Anoden vor dem Entstehen von Dendriten bewältigen.
Der Druckpunkt ist das, was Automobilhersteller am meisten beschäftigt. QuantumScape veranschaulicht dies folgendermaßen: 20 atm auf einer einzigen Zelle mit den Abmessungen 10 x 24,2 cm entsprechen etwa 5.000 kg Kraft – das ist etwa das Gewicht von drei Mittelklasseautos. Um diesen Druck in einer Batteriepackung aufrechtzuerhalten, sind dicke Stahl-Endplatten sowie Verbindungsstangen erforderlich, was wiederum Gewicht, Volumen und Kosten erhöht.
Und 20 atm sind bereits auf der großzügigen Seite. Viele Sulfidzellen in Laboren arbeiten bei 30 bis 100+ atm (3 bis 12 MPa), manche sogar noch höher. Chinas FAW berichtete im September von großformatigen Sulfidzellen, die bei 5 MPa, also etwa 50 atm, betrieben werden konnten – was als Leistung bei niedrigem Druck beworben wurde.
Die Idee von QS ist also einfach: Den Sulfid im Kathodenmaterial belassen, wo er gut darin ist, Lithiumionen zu transportieren, und den QS-Keramiktrenner für das Lithiummetall einsetzen.
Was die Osprey-Daten zeigen
QuantumScape veröffentlichte vier Hauptdatensätze:
Zyklenlebensdauer: das tatsächliche Ergebnis
Das ist das beste Ergebnis. Eine 2-lagige Zelle mit einer Kathode von 50 x 65 mm, derselben Größe wie bei der QSE-5, hielt nach 1.000 Zyklen noch etwa 80 % der Kapazität. Bei dem Test wurden volle 1C-Ladungen und -Entladungen verwendet, ein Ladezustand von 0 bis 100 %, eine Temperatur von 30 °C sowie ein Druck von 1 atm. Die Beladung der Kathode lag bei 5,5 mAh/cm², was im Einklang mit kommerziellen EV-Zellen steht.
QuantumScape behauptet, keine andere auf Sulfiden basierende Zelle habe dies gezeigt, und Electrek konnte keine veröffentlichten Daten finden, die dieser Aussage widersprechen. Wissenschaftliche Gruppen haben gezeigt, dass Sulfidzellen bei geringem oder keinem externen Druck funktionieren, jedoch nicht über 1.000 vollständige Zyklen mit einem Sulfid-Kathoden und Lithium-Metall-Anoden.
Aber es handelt sich dabei um eine kleine Zelle. Nach unseren Berechnungen ergeben zwei Schichten dieser Größe etwa 0,3 bis 0,4 Ah, im Vergleich zu etwa 5 Ah bei einer QSE-5.
Schnellladen: bei 80°C
In der Pressemitteilung heißt es „Fünfminütiges Schnellladen von 10 % auf 80 %“. Das Whitepaper zeigt, dass dies bei 10C, in einer zweischichtigen Zelle, bei 80°C (176°F) erreicht wurde. Die Grafik selbst trägt die Überschrift „Hohe Temperatur ermöglicht 5-minütiges Schnellladen.“
Batterien laden bei hoher Temperatur viel schneller, und Elektrofahrzeuge führen vor dem Schnellladen Vorbehandlungen durch. Dennoch liegt 80°C deutlich über der Temperatur, bei der Elektrobatterien üblicherweise vor einem Schnellladen vorgebehandelt werden. QS veröffentlichte kein Ergebnis für das Schnellladen bei Raumtemperatur.
Kalte Wetterbedingungen: eine kleine Zelle
„Funktionstüchtig bis -20°C“ bezieht sich auf eine eindimensionale Zelle mit einer Kathode von 21 x 21 mm, die langsam bei C/3 entladen wurde. Sie behielt bei -20°C 68 % ihrer Kapazität bei Raumtemperatur (etwa 52 % ihrer Energie) sowie 85 % bei 0°C.
Das ist ein echtes Ergebnis für ein Sulfid-System, das historisch gesehen Wärme benötigt hat. Es handelt sich jedoch um eine kleine Zelle, die bei geringer Geschwindigkeit getestet wurde.
Energiedichte: geschätzt
Die Angabe „bis zu ~1.100 Wh/L“ ist eine Prognose. Laut QS sind hochbelastbare Kathoden (10 mAh/cm², etwa doppelt so viel wie die heutigen EV-Zellen) mit Sulfid-Katholysatoren möglich. Der zugrunde liegende Test verwendetete eine 11 mm große Zelle im Münzformat bei 3 atm und nicht bei 1 atm, und der Test wurde über 100 Zyklen durchgeführt.
Zum Vergleich hat die QSE-5 eine Kapazität von 844 Wh/L und 301 Wh/kg.
Eine „offene Plattform“ für die Sulfid-Kathoden anderer Hersteller
Das Geschäftsmodell ist das Wichtigere.
QuantumScape präsentiert Osprey als „offene Plattform“. Kunden können QS’ eigene Sulfid-Kathode verwenden, die mit einem proprietären Trocknungsverfahren hergestellt wird, oder ihre eigene Kathode einsetzen. Laut QS wurden Osprey bereits mit von Automobilkunden entwickelten festen Kathoden getestet.
Anders ausgedrückt: Nach Jahren des Zweifels an Sulfidtechnologien möchte QuantumScape nun sein separatesystem sowie sein anodenloses Design an die Unternehmen verkaufen, die Milliarden in die Entwicklung von Sulfid-Kathoden investiert haben.
Das passt zum Lizenzmodell, das das Unternehmen bereits mit Volkswagen’s PowerCo und Honda verwendet. In Q3 meldete QS Umsätze in Höhe von 9,8 Millionen Dollar und kündigte eine Produktionslinie mit einer Kapazität von 100 MWh an, deren Produktion von QSE-5 voraussichtlich 2028 beginnen soll.
Für Osprey gibt es keinen Zeitplan. Im White Paper heißt es, der Prozess sei „im Laborumfang“ demonstriert worden, höherleistungsstarke Prozesse befänden sich „in der Entwicklungsphase“ und es bleibe „noch viel Arbeit in der Prozesstechnik“ übrig. Die Automobilhersteller wünschen außerdem größere prismatische Zellen als QSE-5, was mehr Schichten sowie mehr Fläche pro Schicht bedeutet.
Platz in dem Wettlauf um Festkörperbatterien
Alle anderen arbeiten bereits daran. Samsung SDI strebt die Massenproduktion von sulfidbasierten Vollfestkörperzellen in seinem Werk in Ulsan in der zweiten Hälfte von 2027 an. BYD plant eine Produktion in kleinen Chargen bereits im Jahr 2027, wobei die Massenproduktion gegen Ende des Jahrzehnts geplant ist. Toyota setzt auf den Zeitraum 2027 bis 2028, nachdem ursprünglich 2020, 2023 und 2026 vorgesehen waren. Die sulfidbasierte Solstice-Plattform von Factorial soll eine Energiedichte von bis zu 450 Wh/kg erreichen.
CATL, der weltgrößte Batteriehersteller, erklärte im Juni, dass eine echte Massenmarkt-Vollfestkörperbatterie noch „mehrere Jahre entfernt“ sei – voraussichtlich um das Jahr 2030.
Keines dieser Unternehmen hat bisher Daten zu 1.000 Zyklen bei 1 atm mit einem sulfidbasierten Kathodenmaterial und einem Lithium-Metall-Anodenmaterial veröffentlicht. Damit macht QuantumScape den ersten Schritt.
Electreks Einschätzung
Das ist das Interessanteste, was QuantumScape in letzter Zeit veröffentlicht hat. Die Zahlen sind gut, doch der strategische Wandel fällt wohl am meisten ins Auge.
Das Ergebnis bezüglich der Lebensdauer des Akkus ist glaubwürdig. Ein 2-lagiger Akku mit Elektroden im kommerziellen Maßstab sowie unter realistischen Belastungen, der 1.000 vollständige 1C-Zyklen bei 1 atm und 30°C durchläuft, stellt genau die Art von Daten dar, die die Branche bisher nicht vorgelegt hat. Zudem hat QS die Testbedingungen veröffentlicht – was mehr ist als viele seiner Konkurrenten tun.
Aber man kann argumentieren, dass die Pressemitteilung die Aussagen des White Papers übertrieben darstellt. Eine 5-minütige Ladezeit bei 80°C ist nicht dasselbe wie eine 5-minütige Ladezeit unter anderen Bedingungen, und die Mitteilung hätte das klarstellen sollen. Die Energiedichte ist lediglich geschätzt, das Ergebnis bei kaltem Wetter stammt von einem Akku der Größe eines Poststempels, und 80 % nach 1.000 Zyklen liegen deutlich unter den 95 %, die PowerCo bereits 2024 bei frühen Akkus bestätigt hatte. Verschiedene Chemieformen, unterschiedliche Entwicklungsstufen – doch es handelt sich um Aspekte, die man im Hinterkopf behalten sollte.
So gibt QuantumScape im Grunde zu, dass der flüssige Katholysator in QSE nicht die endgültige Lösung ist, und dass die massiven Investitionen der Branche in Sulfide eher genutzt als bekämpft werden sollten. Wenn der Trenner der einzige Bestandteil ist, den alle anderen nicht zum Funktionieren bringen können, ist es klug, ihn ihnen zu verkaufen.
Die Frage ist die Zeit. QS skaliert weiterhin QSE-5, wobei eine Anlage mit einer Kapazität von 100 MWh erst 2028 in Betrieb gehen wird. Osprey ist ein Laborverfahren. Wird jemand aus dem Sulfidlager es lizenzieren, bevor ihre eigenen Produktionspläne für die Jahre 2027 bis 2030 festgelegt sind? Derzeit scheint das QS’ aktueller Einsatz zu sein.