¿Cargar baterías de estado sólido en 5 minutos? QuantumScape lo cree posible.
QuantumScape publica por primera vez los resultados de las celdas Osprey, la plataforma de estado sólido que busca superar los defectos históricos de los electrolitos a base de sulfuros. Según la empresa, estas celdas han resistido más de 1.000 ciclos manteniendo un 80% de su capacidad en condiciones consideradas estándar en la industria, con solo 1 atmósfera de presión aplicada, mucho menos que los niveles requeridos hasta ahora por las baterías de sulfuros.
Otro dato importante es la carga rápida en tan solo cinco minutos, junto con una densidad energética que puede alcanzar hasta unos 1.100 Wh/L. Estas cifras, si se confirman a escala industrial, afectarían a dos de los limites más discutidos de los automóviles eléctricos actuales.
El separador cerámico QS y el papel de los sulfuros
En el corazón de la tecnología QuantumScape Osprey se encuentra el separador cerámico patentado, fabricado mediante un proceso de flujo continuo que la empresa denomina Cobra. Este material es químicamente estable al estar en contacto con el litio metálico. Esta característica permite una alta eficiencia coulombiana y hace posible un diseño “sin ánodo”, es decir, sin exceso de litio depositado en el ánodo.
QuantumScape Osprey: el principio de una batería completamente de estado sólido
Foto de: QuantumScape
El separador resiste mecánicamente a los dendritas, las protuberancias de litio que pueden perforar los separadores poliméricos o a base de sulfuro y provocar un cortocircuito en la celda. En las pruebas de seguridad realizadas por la empresa, las celdas comerciales soportaron temperaturas superiores a 300°C sin provocar la llamada fuga térmica. En la generación actual, la plataforma QSE combina el mismo separador con un cátodo NMC de alto contenido en níquel y un cátodo líquido: esta es la base de la QSE-5, el primer producto comercial de la empresa.
Los electrolitos a base de sulfuro siguen siendo de los más estudiados para las baterías de estado sólido gracias a su buena conductividad iónica y a la relativa simplicidad en su procesamiento a bajas temperaturas. Según la empresa, los fabricantes que los han utilizado como separadores se han enfrentado durante más de una década a los mismos obstáculos: corta duración en los ciclos, necesidad de altas presiones, rendimiento deficiente a bajas temperaturas y cargas lentas.
¿Cómo funciona Osprey?
La solución propuesta por QuantumScape consiste en separar los dos problemas: utilizar el sulfuro no como separador, sino como católico sólido combinado con el separador cerámico QS. En esta configuración, los iones de litio se desplazan mediante ion hopping a través de la estructura del sulfuro. Este mecanismo elimina el fenómeno de polarización típico de los electrolitos líquidos, y es lo que permite la recarga en cinco minutos, según la empresa.
QuantumScape Osprey: mayor densidad energética gracias a cátodos mucho más gruesos
Foto de: QuantumScape
La misma propiedad permite cátodos mucho más cargados: hasta 10 mAh/cm2, aproximadamente el doble de los 3-5 mAh/cm2 típicos de las baterías de litio convencionales. Un cátodo más cargado requiere menos capas por celda, con menos separadores y colectores de corriente. El resultado es una batería globalmente más densa desde el punto de vista energético.
Los resultados publicados se refieren a celdas unitarias de dos capas, con un área y un carga del cátodo relevantes desde el punto de vista comercial: 1.000 ciclos con un 80% de retención a temperatura ambiente, 1C/1C y descarga completa, además de una capacidad accesible hasta -20 °C. La empresa afirma que ninguna otra celda sólida a base de sulfuro ha demostrado hasta ahora la misma combinación de resultados.
Las ventajas prometidas por las baterías de estado sólido QuantumScape Osprey
Foto de: QuantumScape
Próximos pasos hacia la producción
Osprey nace como una plataforma abierta: los clientes pueden elegir el cátodo de sulfuro desarrollado por QuantumScape o bien utilizar su propia tecnología de cátodo, manteniendo las ventajas del separador cerámico y del diseño sin ánodo. La empresa mantiene alianzas con fabricantes de automóviles para desarrollar este proyecto.
Galería de fotos: Plataforma para baterías de estado sólido QuantumScape Osprey
No obstante, quedan pasos de ingeniería por completar antes de la producción a gran escala. Los resultados publicados provienen de celdas de dos capas con el mismo área que la QSE-5. Los clientes del sector automotriz suelen requerir celdas prismáticas más grandes, con más capas y mayor capacidad.
El proceso de producción de Osprey solo ha sido demostrado hasta ahora a escala de laboratorio. El desarrollo de procesos más rápidos está aún en curso.
Sobre las baterías de estado sólido