Ladezeit von Festkörperbatterien in 5 Minuten? QuantumScape glaubt daran.
QuantumScape macht erstmals die Ergebnisse der Osprey-Zellen öffentlich – einer Festkörperplattform, die versucht, die historischen Mängel von sulfatbasierten Elektrolyten zu überwinden. Laut dem Unternehmen haben die Zellen unter Bedingungen, die als Branchenstandard gelten, 1.000 Ladezyklen überstanden, wobei 80 % der Kapazität erhalten blieb, und dabei nur einen Druck von 1 Atmosphäre erforderlich war – deutlich weniger als die bislang für sulfatbasierte Akkus erforderlichen Werte.
Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Schnellladefunktion innerhalb von nur fünf Minuten sowie eine Energiedichte, die bis zu etwa 1.100 Wh/L erreichen kann. Sollten diese Werte in der Industriebestimmung bestätigt werden, würden sie zwei der am meisten diskutierten Einschränkungen heutiger Elektroautos beeinflussen.
Der keramische Trenner QS und die Rolle der Sulfide
Zentral bei der QuantumScape Osprey-Technologie ist der proprietäre keramische Trenner, der mithilfe eines kontinuierlichen Fließprozesses hergestellt wird, den das Unternehmen Cobra nennt. Das Material ist chemisch gegenüber metallischem Lithium stabil. Diese Eigenschaft ermöglicht eine hohe Coulomb-Effizienz und macht ein „anodenfreies“ Design möglich, das heißt ohne überschüssiges Lithium, das auf der Anode abgelagert wird.
QuantumScape Osprey – das Prinzip einer vollständig festkörperbasierten Batterie
Bild von: QuantumScape
Der Trenner widersteht mechanisch den Dendriten, den Lithiumausbuchtungen, die polymerische oder schwefelbasierte Trenner durchdringen und dazu führen können, dass die Zelle einen Kurzschluss erleidet. In den von dem Unternehmen durchgeführten Sicherheitstests hielten die kommerziellen Zellen Temperaturen von über 300°C aus, ohne eine sogenannte thermische Ausdehnung auszulösen. In der aktuellen Generation kombiniert die QSE-Plattform denselben Trenner mit einem NMC-Kathodenmaterial mit hohem Nickelgehalt sowie einer flüssigen Katholitlösung – dies bildet die Grundlage der QSE-5, des ersten kommerziellen Produkts des Unternehmens.
Sulfidbasierte Elektrolyte gehören aufgrund ihrer guten ionischen Leitfähigkeit sowie der relativen Einfachheit bei der Verarbeitung bei niedrigen Temperaturen zu den am häufigsten untersuchten für Festkörperbatterien. Laut dem Unternehmen sind die Hersteller, die sie als Trennmittel verwendet haben, seit über einem Jahrzehnt mit denselben Herausforderungen konfrontiert: kurze Lebensdauer bei vielen Lade-/Entladezyklen, Notwendigkeit hoher Drücke, schwache Leistung bei niedrigen Temperaturen sowie langsame Ladevorgänge.
Wie funktioniert Osprey
Die von QuantumScape vorgeschlagene Lösung besteht darin, die beiden Probleme zu trennen: Man verwendet das Schwefelverbindungen nicht als Trennmittel, sondern als festen Katalysator in Kombination mit dem keramischen Trennmittel QS. In dieser Konfiguration bewegen sich die Lithiumionen durch Ion-Hopping durch die Struktur des Schwefelverbindungen. Dieser Mechanismus beseitigt das Phänomen der Polarisation, das typisch für flüssige Elektrolyte ist, und ermöglicht laut dem Unternehmen eine Aufladung in fünf Minuten.
QuantumScape Osprey: höhere Energiedichte dank viel dickerer Kathoden
Bild von: QuantumScape
Dieselbe Eigenschaft ermöglicht Kathoden mit viel höherer Ladung: bis zu 10 mAh/cm2, etwa doppelt so viel wie die typischen 3-5 mAh/cm2 herkömmlicher Lithiumbatterien. Eine stärker geladene Kathode erfordert weniger Zellschichten sowie weniger Trennwände und Stromleiter. Das Ergebnis ist eine insgesamt energiedichtere Batterie.
Die veröffentlichten Ergebnisse beziehen sich auf zweischichtige Einzelle mit einer für den Markt relevanten Fläche und Kathodenladung: 1.000 Zyklen bei 80 % Kapazitätsbeibehaltung bei Raumtemperatur, 1C/1C Lade- und Entladeverhältnis sowie eine nutzbare Kapazität bis zu -20 °C. Das Unternehmen gibt an, dass bisher keine andere sulfidbasierte Festkörperzelle dieselbe Kombination an Ergebnissen gezeigt habe.
Die versprochenen Vorteile der QuantumScape Osprey Festkörperbatterien
Bild von: QuantumScape
Nächste Schritte in Richtung Produktion
Osprey entsteht als offene Plattform: Kunden können entweder den proprietären Sulfid-Kathodenmaterial von QuantumScape wählen oder ihre eigene Kathodentechnologie einsetzen, wobei die Vorteile des keramischen Trennmittels sowie des anodenfreien Designs beibehalten werden. Das Unternehmen arbeitet mit Automobilherstellern zusammen, um das Projekt weiterzuentwickeln.
Fotogalerie: Plattform für Festkörperbatterien QuantumScape Osprey
Doch es müssen noch ingenieurtechnische Schritte abgeschlossen werden, bevor eine großflächige Produktion möglich ist. Die veröffentlichten Ergebnisse stammen von zweischichtigen Zellen mit derselben Fläche wie die QSE-5. Kunden aus der Automobilbranche verlangen in der Regel größere prismatische Zellen mit mehr Schichten und höherer Kapazität.
Der Herstellungsprozess von Osprey wurde bisher nur im Laborumfeld demonstriert. Die Entwicklung schnellerer Prozesse ist noch im Gange.
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