QuantumScape presenta la celda completamente de estado sólido Osprey: 1,000 ciclos a 1 atm
QuantumScape (QS) finalmente está pasando a un sistema completamente de estado sólido. Su nueva plataforma Osprey reemplaza el líquido presente en su cátodo por un electrolito sólido de sulfuro, y la empresa afirma que estas celdas han soportado 1,000 ciclos completos manteniendo un 80% de su capacidad incluso a una atmósfera de presión.
Esto es un gran avance para el grupo que utiliza electrolitos de sulfuro, al que pertenecen Toyota, Samsung SDI, BYD y Factorial. Sus celdas suelen requerir un sujeción muy fuerte para funcionar. Sin embargo, el documento técnico que acompaña al anuncio indica que se trata de celdas pequeñas, en fase experimental, y que algunas de las cifras presentadas incluyen condiciones importantes.
Las celdas actuales de QuantumScape no son de estado sólido completo
Aquí hay algo que QuantumScape rara vez ha explicado de forma tan clara: su producto actual no es de estado sólido completo.
El nuevo documento técnico describe la plataforma QSE, incluida la celda QSE-5 que se envía como muestra de su producción piloto Eagle Line en San Jose, como un separador de cerámica combinado con “un cátodo NMC de alto contenido en níquel, relativamente convencional, y un catolito líquido”.
La parte sólida es el separador. Este se encuentra entre el cátodo y un ánodo de metal de litio que QuantumScape no fabrica en absoluto. La celda se construye “sin ánodo”, y durante la primera carga el litio se deposita sobre el separador.
Osprey mantiene ese diseño sin separador ni ánodo y reemplaza el líquido del cátodo por un electrolito de sulfuro sólido. Eso hace que toda la celda sea sólida.
Los sulfuros como separadores: QS sigue diciendo que no
Lo interesante es que QuantumScape no ha cambiado de opinión respecto a los sulfuros. Ha pasado años argumentando que los electrolitos de sulfuro no pueden funcionar como separadores, y el documento técnico refuerza esta postura, calificando sus problemas como “propiedades fundamentales” del material en lugar de desafíos de ingeniería.
La empresa enumera cuatro problemas: los sulfuros reaccionan con el metal de litio, necesitan alta presión para mantener contacto con los electrodos, tienen dificultades a temperatura ambiente y por debajo de ella, y no pueden soportar la carga rápida con un ánodo de metal de litio antes de que se formen dendritas.
El punto de presión es lo que más preocupan a los fabricantes de automóviles. QuantumScape lo ilustra de esta manera: 20 atm en una sola celda de 10 x 24,2 cm equivalen a aproximadamente 5.000 kg de fuerza, lo que equivale a unos tres automóviles de tamaño medio. Para soportar esa presión en un conjunto de celdas, se necesitan placas laterales de acero gruesas y barras de unión, lo cual aumenta el peso, el volumen y el costo.
Y 20 atm ya es un valor generoso. Muchas celdas de sulfuro en los laboratorios funcionan a presiones de 30 a 100 atm o más (de 3 a 12 MPa), e incluso algunas a presiones aún mayores. En septiembre, FAW de China informó que sus celdas de sulfuro de gran formato funcionaban a 5 MPa, es decir, aproximadamente 50 atm, lo cual se presentó como un logro al trabajar a bajas presiones.
Por lo tanto, la propuesta de QuantumScape es sencilla: mantener el sulfuro en el cátodo, donde es eficaz para mover iones de litio, y dejar que el separador cerámico QS se encargue del metal de litio.
Lo que muestran los datos de Osprey
QuantumScape publicó cuatro conjuntos de datos principales:
Vida útil en ciclos: el resultado real
Este es el resultado más sólido. Una celda de 2 capas con un cátodo de 50 x 65 mm, la misma área que el QSE-5, funcionó durante 1,000 ciclos manteniendo aproximadamente el 80% de su capacidad. La prueba utilizó una carga y descarga a 1C, un estado de carga del 0 al 100%, 30°C y 1 atm. La carga del cátodo fue de 5.5 mAh/cm², lo cual está en línea con las celdas de vehículos eléctricos comerciales.
QuantumScape afirma que ninguna otra celda basada en sulfuros ha demostrado esto, y Electrek no encontró datos publicados que lo contradigan. Algunos grupos académicos han mostrado celdas de sulfuros que funcionan con poca o ninguna presión externa, pero no durante 1,000 ciclos completos con un cátodo de sulfuro y un ánodo de metal de litio.
Pero se trata de una celda pequeña. Según nuestros cálculos, dos capas de ese tamaño tienen una capacidad de aproximadamente 0.3 a 0.4 Ah, en comparación con unos 5 Ah en el caso del QSE-5.
Carga rápida: a 80°C
En el comunicado de prensa se indica “carga rápida de cinco minutos del 10 % al 80 %”. El documento técnico muestra que esto se logró a 10C, en una celda de 2 capas, a 80°C (176°F). El propio gráfico lleva la leyenda “La alta temperatura permite una carga rápida de 5 minutos”.
Las baterías se cargan mucho más rápido cuando están calientes, y los vehículos eléctricos realizan un proceso de precondicionamiento antes de la carga rápida. Aun así, 80 °C está muy por encima de la temperatura a la que normalmente se precondicionan las baterías de los vehículos eléctricos antes de una carga rápida. QS no publicó ningún resultado de carga rápida a temperatura ambiente.
Clima frío: una celda diminuta
La afirmación de que “funciona hasta -20 °C” se refiere a una celda de una sola capa con un cátodo de 21 x 21 mm, descargada lentamente a una tasa de C/3. Mantuvo el 68 % de su capacidad a temperatura ambiente a -20 °C (aproximadamente el 52 % de su energía) y el 85 % a 0 °C.
Ese es un resultado real para un sistema a base de sulfuros, que históricamente han necesitado calor. Pero se trata de una celda muy pequeña y a una tasa de descarga baja.
Densidad energética: proyección
La cifra de “hasta ~1,100 Wh/L” es una proyección. QS afirma que son posibles cátodos de alta capacidad (10 mAh/cm², aproximadamente el doble de las celdas de vehículos eléctricos actuales) con católicos a base de sulfuro. La prueba que lo respalda utilizó una celda del tamaño de una moneda de 11 mm a 3 atmósferas, no a 1 atmósfera, y funcionó durante 100 ciclos.
Para referencia, el QSE-5 tiene una capacidad de 844 Wh/L y 301 Wh/kg.
Una “plataforma abierta” para los cátodos de sulfuro de otros fabricantes
El modelo de negocio es el aspecto más importante.
QuantumScape presenta Osprey como una “plataforma abierta”. Los clientes pueden utilizar el cátodo de sulfuro propio de QS, fabricado mediante un proceso exclusivo en seco, o bien llevar el suyo propio. QS indica que ya ha probado Osprey con cátodos sólidos desarrollados por sus clientes del sector automotriz.
En otras palabras, después de años siendo escéptico respecto a los sulfuros, QuantumScape ahora quiere vender su diseño sin separador ni ánodo a las empresas que han invertido miles de millones en el desarrollo de cátodos a base de sulfuros.
Eso se ajusta al modelo de licenciamiento que ya utiliza con PowerCo de Volkswagen y Honda. QS informó ingresos por 9,8 millones de dólares de sus clientes en el tercer trimestre y anunció una línea de producción de 100 MWh cuya producción comenzará en 2028 para el QSE-5.
No hay un plazo establecido para Osprey. El documento técnico indica que el proceso ya se ha demostrado “a escala de laboratorio”, que los procesos de mayor rendimiento están “en fase de desarrollo” y que “quedan tareas importantes por realizar en ingeniería de procesos”. Los fabricantes de automóviles también desean celdas prismáticas más grandes que las del QSE-5, lo que implica más capas y más área por capa.
¿Dónde encaja esto en la carrera por los baterías de estado sólido?
Todos los demás están trabajando en ello. Samsung SDI tiene como objetivo iniciar la producción en masa de celdas de estado sólido a base de sulfuro en su planta de Ulsan en la segunda mitad de 2027. BYD planea producir en pequeñas cantidades celdas de estado sólido a base de sulfuro en 2027, con producción en masa hacia el final de la década. Toyota se propone lograrlo entre 2027 y 2028, después de haber pospuesto sus planes para 2020, 2023 y 2026. La plataforma Solstice a base de sulfuro de Factorial busca alcanzar una capacidad de hasta 450 Wh/kg.
CATL, el mayor fabricante de baterías del mundo, declaró en junio que las celdas de estado sólido verdaderamente destinadas al mercado masivo están aún “a años de distancia”, alrededor de 2030.
Ninguna de esas empresas ha publicado datos de 1,000 ciclos a 1 atm con un cátodo de sulfuro y un ánodo de metal de litio. Ese es el primer paso de QuantumScape.
Opinión de Electrek
Este es el contenido más interesante que ha publicado QuantumScape en mucho tiempo. Las cifras son buenas, pero el cambio en su estrategia es probablemente lo que más destaca.
El resultado relativo a la vida útil del ciclo es fiable. Una celda de 2 capas con electrodos de tipo comercial y una carga realista que realiza 1,000 ciclos completos a 1 atm y 30°C es el tipo de datos que la industria aún no ha presentado. Además, QS publicó las condiciones de prueba, lo cual es más de lo que hacen muchos de sus competidores.
Pero se podría argumentar que el comunicado de prensa exagera lo que se indica en el informe técnico. Una carga de 5 minutos a 80°C no es lo mismo que otra carga de 5 minutos, y el comunicado debería haberlo señalado. La densidad energética es una proyección, el resultado en condiciones de frío proviene de una celda del tamaño de un sello postal, y el 80% de rendimiento después de 1,000 ciclos está muy por debajo del 95% confirmado por PowerCo en las primeras celdas de QSE en 2024. Química diferente, etapa diferente, pero algo que merece ser tenido en cuenta.
En esencia, QuantumScape está admitiendo que el catálito líquido en el QSE no representa la solución definitiva, y que la enorme inversión de la industria en sulfuros debe aprovecharse en lugar de combatirse. Si su separador es la única pieza que los demás no logran hacer funcionar, venderlo a ellos es una estrategia inteligente.
La cuestión es el tiempo. QS sigue desarrollando el QSE-5, y una línea con capacidad de 100 MWh no estará lista hasta 2028. Osprey es un proceso de laboratorio. ¿Alguien del grupo que trabaja con sulfuros otorgará una licencia antes de que se consoliden sus propios planes de producción para 2027 a 2030? Por ahora, parece que esa es la apuesta actual de QS.