QuantumScape présente la cellule entièrement à état solide Osprey : 1 000 cycles à 1 atm
QuantumScape (QS) passe enfin entièrement à l’état solide. Sa nouvelle plateforme Osprey remplace le liquide présent dans son cathode par un électrolyte solide au sulfure, et l’entreprise affirme que ces cellules ont atteint 1 000 cycles complets à 80 % de leur capacité même à une pression d’une seule atmosphère.
C’est une avancée majeure pour le camp des technologies au sulfure, qui inclut Toyota, Samsung SDI, BYD et Factorial. Leurs cellules nécessitent généralement une fixation stricte pour fonctionner. Cependant, le document technique accompagnant l’annonce montre qu’il s’agit de petites cellules de laboratoire en phase initiale, et certains chiffres présentés s’accompagnent de conditions importantes.
Les cellules actuelles de QuantumScape ne sont pas entièrement à état solide
Voici quelque chose que QuantumScape a rarement expliqué aussi clairement : son produit actuel n’est pas entièrement à état solide.
Le nouveau document technique décrit la plateforme QSE, y compris la cellule QSE-5 qu’elle distribue en échantillons dans le cadre de sa production pilote Eagle Line à San Jose, comme un séparateur en céramique associé à « un cathode NMC à haut taux de nickel relativement conventionnel et un catholyte liquide ».
La partie solide est le séparateur. Il se trouve entre le cathode et un anode en lithium métallique que QuantumScape ne fabrique pas du tout. La cellule est conçue « sans anode », et le lithium se dépose contre le séparateur lors de la première charge.
Osprey conserve ce design sans séparateur ni anode et remplace le liquide présent dans le cathode par un électrolyte sulfure solide. Cela rend toute la cellule solide.
Les sulfures en tant que séparateurs : QS reste opposé
Ce qui est intéressant, c’est que QuantumScape n’a pas changé d’avis concernant les sulfures. Elle affirme depuis des années que les électrolytes sulfureux ne peuvent pas servir de séparateurs, et le document technique confirme cette position en qualifiant leurs problèmes de « propriétés fondamentales » du matériau plutôt que de défis techniques.
L’entreprise énumère quatre problèmes : les sulfures réagissent avec le métal lithium, ils nécessitent une haute pression pour maintenir le contact avec les électrodes, ils fonctionnent mal à température ambiante et en dessous, et ils ne permettent pas une charge rapide avec un anode en métal lithium avant la formation de dendrites.
Le point de pression est celui qui préoccupe le plus les constructeurs automobiles. QuantumScape l’illustre ainsi : 20 atm sur une seule cellule de 10 x 24,2 cm équivalent à environ 5 000 kg de force, soit l’équivalent de trois voitures de taille moyenne. Pour supporter cette pression sur un ensemble de cellules, il faut des plaques d’extrémité en acier épais ainsi que des barres de liaison, ce qui augmente le poids, le volume et le coût.
De plus, 20 atm représente déjà une valeur élevée. De nombreuses cellules à sulfure en laboratoire fonctionnent à 30 à 100 atm (3 à 12 MPa), voire davantage. En septembre, le groupe chinois FAW a annoncé que des cellules à sulfure de grand format fonctionnaient à 5 MPa, soit environ 50 atm, ce qui était présenté comme une réussite grâce à une pression faible.
La proposition de QuantumScape est donc simple : conserver le sulfure dans le cathode, où il est efficace pour faire circuler les ions de lithium, et laisser le séparateur en céramique QS gérer le métal lithium.
Ce que montrent les données d’Osprey
QuantumScape a publié quatre ensembles de données principaux :
Vie en cycle : le résultat réel
C’est le résultat le plus impressionnant. Une cellule à 2 couches dotée d’un cathode de 50 x 65 mm, même taille que celui du QSE-5, a tenu 1 000 cycles avec environ 80 % de sa capacité initiale. Le test a été effectué avec une charge et une décharge à 1C, un niveau de charge allant de 0 à 100 %, une température de 30 °C et une pression de 1 atm. La charge du cathode était de 5,5 mAh/cm², ce qui correspond aux cellules électriques utilisées dans les véhicules électriques commerciaux.
QuantumScape affirme qu’aucune autre cellule à base de sulfure n’a montré ce résultat, et Electrek n’a trouvé aucune donnée publiée qui le contredise. Des groupes universitaires ont démontré que des cellules à sulfure fonctionnent avec peu ou pas de pression externe, mais pas sur 1 000 cycles complets avec un cathode à sulfure et un anode en lithium métallique.
Cependant, il s’agit d’une cellule de petite taille. Selon nos calculs, deux couches de cette taille donnent une capacité d’environ 0,3 à 0,4 Ah, contre environ 5 Ah pour un QSE-5.
Chargement rapide : à 80°C
Le communiqué de presse indique un « chargement rapide en cinq minutes de 10 % à 80 % ». Le document technique montre que cela a été réalisé à 10C, dans une cellule à deux couches, à 80°C (176°F). La légende de le graphique précise : « Haute température permettant un chargement rapide en 5 minutes. »
Les batteries se chargent beaucoup plus rapidement lorsqu’elles sont chaudes, et les véhicules électriques effectuent des préconditionnements avant une charge rapide. Néanmoins, 80 °C est bien supérieur à la température à laquelle les batteries de véhicules électriques sont généralement préconditionnées avant une charge rapide. QS n’a pas publié de résultats de charge rapide à température ambiante.
Météo froide : une petite cellule
« Fonctionnement jusqu’à -20 °C » concerne une cellule à couche unique dotée d’un cathode de 21 x 21 mm, déchargée lentement à C/3. Elle a conservé 68 % de sa capacité à température ambiante à -20 °C (environ 52 % de son énergie) et 85 % à 0 °C.
Ce sont là de véritables résultats pour un système à sulfure, qui a historiquement nécessité de la chaleur. Mais il s’agit d’une petite cellule fonctionnant à un rythme lent.
Densité énergétique : estimation
Le chiffre de « jusqu’à ~1 100 Wh/L » est une projection. Selon QS, des cathodes à forte capacité de charge (10 mAh/cm², soit environ le double de celles utilisées actuellement dans les véhicules électriques) sont possibles avec des catholytes sulfureux. Le test qui le prouve a utilisé une cellule de la taille d’une pièce de 11 mm à 3 atm, et non à 1 atm, et a été mené pendant 100 cycles.
À titre de référence, le QSE-5 affiche une capacité de 844 Wh/L et 301 Wh/kg.
Une « plateforme ouverte » pour les cathodes sulfureuses des autres fabricants
C’est le modèle économique qui constitue l’aspect le plus important.
QuantumScape présente Osprey comme une « plateforme ouverte ». Les clients peuvent utiliser la cathode sulfureuse développée par QS, fabriquée selon un procédé propriétaire, ou bien en apporter une de leur propre fabrication. QS affirme avoir déjà testé Osprey avec des cathodes solides développées par ses clients du secteur automobile.
En d’autres termes, après des années de scepticisme envers les systèmes à sulfure, QuantumScape souhaite désormais vendre son concept sans séparateur ni anode aux entreprises qui ont investi des milliards dans le développement de cathodes à sulfure.
Cela correspond au modèle de licence qu’elle utilise déjà avec PowerCo de Volkswagen et Honda. QuantumScape a déclaré des revenus de 9,8 millions de dollars provenant de ses clients au troisième trimestre et a annoncé une ligne de production d’une capacité de 100 MWh, prévue pour démarrer en 2028 pour le produit QSE-5.
Aucun calendrier n’a été fixé pour Osprey. Le document technique indique que le processus a été démontré « à l’échelle de laboratoire », que des processus à plus forte productivité sont « en phase de développement », et qu’« un travail important reste à effectuer en matière d’ingénierie des procédés ». Les constructeurs automobiles souhaitent également des cellules prismatiques plus grandes que celles du QSE-5, ce qui implique davantage de couches et une plus grande superficie par couche.
Quel est le rôle de cela dans la course aux batteries à état solide ?
Tous les autres entreprises travaillent activement sur ce projet. Samsung SDI vise une production en série de cellules à état solide au sulfure dans son usine d’Ulsan au second semestre 2027. BYD prévoit une production en petites séries de cellules à état solide au sulfure en 2027, avec une production en série vers la fin de la décennie. Toyota s’attend à démarrer ses activités entre 2027 et 2028, après avoir reporté ces objectifs à 2020, 2023 et 2026. La plateforme Solstice à sulfure de Factorial vise une capacité de 450 Wh/kg.
CATL, le plus grand fabricant de batteries au monde, a déclaré en juin que les véritables batteries à état solide destinées au marché de masse étaient encore « à des années-lumière », vers 2030.
Aucune de ces entreprises n’a publié de données relatives à 1 000 cycles à 1 atm avec un cathode au sulfure et un anode en métal lithium. C’est là que QuantumScape entre en scène.
Point de vue d’Electrek
C’est la publication la plus intéressante que QuantumScape ait faite ces derniers temps. Les chiffres sont bons, mais c’est probablement le changement de stratégie qui se distingue le plus.
Le résultat concernant la durée de vie du cycle est fiable. Un cellule à 2 couches dotée d’électrodes de type commercial et soumise à des conditions réalistes, ayant effectué 1 000 cycles complets à 1 C sous une pression de 1 atm et à 30 °C, représente le type de données que l’industrie n’a pas encore présenté. De plus, QS a publié les conditions d’essai, ce qui est plus que ce que font de nombreux de ses concurrents.
Cependant, on peut argumenter que le communiqué de presse exagère ce qui est indiqué dans le rapport technique. Une charge de 5 minutes à 80 °C n’est pas la même chose qu’une charge de 5 minutes en général, et le communiqué aurait dû le préciser. La densité énergétique est une estimation, le résultat en conditions climatiques froides provient d’une cellule de la taille d’un timbre-poste, et 80 % après 1 000 cycles est bien en deçà des 95 % constatés après 1 000 cycles par PowerCo sur ses premières cellules en 2024. Chimie différente, étape différente, mais des éléments à garder à l’esprit.
QuantumScape admet donc essentiellement que le catholyte liquide utilisé dans le QSE n’est pas la solution finale, et que les importantes investissements du secteur dans les sulfures doivent être intégrés plutôt que combattus. Si votre séparateur est la seule composante que les autres ne parviennent pas à faire fonctionner, il est judicieux de le leur vendre.
La question est le temps. QS continue de développer le QSE-5, avec une ligne de production de 100 MWh qui ne sera opérationnelle qu’en 2028. Osprey reste un procédé de laboratoire. Quelqu’un au sein du camp des sulfures va-t-il en obtenir la licence avant que leurs propres plans de production pour 2027 à 2030 ne soient définitivement fixés ? Pour l’instant, il semble que ce soit le pari actuel de QS.