Charger des batteries à état solide en 5 minutes ? QuantumScape y croit.
QuantumScape rend publique pour la première fois les résultats des cellules Osprey, la plateforme à état solide qui vise à surmonter les défauts historiques des électrolytes à base de sulfures. Selon l’entreprise, ces cellules ont résisté à 1 000 cycles tout en conservant 80 % de leur capacité dans des conditions considérées comme des références dans le secteur, avec seulement 1 atmosphère de pression appliquée, ce qui est bien inférieur aux niveaux requis jusqu’à présent pour les accumulateurs à sulfures.
Un autre chiffre notable est la capacité de charge rapide en seulement cinq minutes, associée à une densité énergétique pouvant atteindre environ 1 100 Wh/L. Ce sont des valeurs qui, si elles sont confirmées à l’échelle industrielle, auraient un impact sur deux des limites les plus discutées des voitures électriques actuelles.
Le séparateur céramique QS et le rôle des sulfures
Au cœur de la technologie QuantumScape Osprey se trouve le séparateur en céramique propriétaire, fabriqué grâce à un procédé en flux continu que l’entreprise nomme Cobra. Ce matériau est chimiquement stable en contact avec le lithium métallique. Cette caractéristique permet une haute efficacité coulombienne et rend possible un design « sans anode », c’est-à-dire sans excès de lithium déposé sur l’anode.
QuantumScape Osprey, le principe d’une batterie entièrement à état solide
Photo de : QuantumScape
Le séparateur résiste mécaniquement aux dendrites, ces protubérances en lithium capables de percer les séparateurs polymères ou à base de sulfure et de provoquer un court-circuit dans la batterie. Lors des tests de sécurité menés par l’entreprise, les batteries commerciales ont tenu à plus de 300°C sans déclencher ce qu’on appelle une fuite thermique. Dans la génération actuelle, la plateforme QSE associe ce même séparateur à un cathode NMC à fort taux de nickel ainsi qu’à un catholite liquide : c’est la base de la QSE-5, le premier produit commercial de l’entreprise.
Les électrolytes à base de sulfure restent parmi les plus étudiés pour les batteries à état solide, grâce à leur bonne conductivité ionique et à la relative simplicité de leur traitement à basse température. Selon l’entreprise, les fabricants qui les ont utilisés comme séparateurs se heurtent depuis plus d’une décennie aux mêmes obstacles : durée de vie limitée au cours des cycles, nécessité de pressions élevées, performances faibles à basse température et temps de charge long.
Comment fonctionne Osprey
La solution proposée par QuantumScape consiste à séparer les deux problèmes : utiliser le sulfure non pas comme séparateur, mais comme catholite solide associé au séparateur céramique QS. Dans cette configuration, les ions de lithium se déplacent par ion hopping à travers la structure du sulfure. Ce mécanisme élimine le phénomène de polarisation typique des électrolytes liquides, ce qui permet, selon l’entreprise, une recharge en cinq minutes.
QuantumScape Osprey : plus grande densité énergétique grâce à des cathodes beaucoup plus épaisses
Photo de : QuantumScape
La même propriété permet des cathodes beaucoup plus chargées : jusqu’à 10 mAh/cm2, soit environ le double des 3-5 mAh/cm2 typiques des batteries lithium conventionnelles. Une cathode plus chargée nécessite moins de couches par cellule, avec moins de séparateurs et de collecteurs de courant. Le résultat est une batterie globalement plus dense du point de vue énergétique.
Les résultats publiés concernent des cellules unitaires à deux couches, présentant une superficie et un chargement cathodique importants du point de vue commercial : 1 000 cycles avec 80 % de capacité restante à température ambiante, un taux de décharge de 1C/1C et une décharge complète, ainsi qu’une capacité accessible jusqu’à -20 °C. L’entreprise affirme que aucune autre cellule solide à base de sulfure n’a jusqu’à présent démontré la même combinaison de résultats.
Les avantages promis par les batteries à état solide QuantumScape Osprey
Photo de : QuantumScape
Les prochaines étapes vers la production
Osprey est conçue comme une plateforme ouverte : les clients peuvent choisir le cathode au sulfure propriétaire de QuantumScape ou utiliser leur propre technologie de cathode, tout en conservant les avantages du séparateur en céramique et d’un design sans anode. L’entreprise collabore avec des constructeurs automobiles pour développer ce projet.
Galerie de photos : Plateforme pour batteries à état solide QuantumScape Osprey
Cependant, il reste des étapes d’ingénierie à finaliser avant une production à grande échelle. Les résultats publiés proviennent de cellules à deux couches ayant la même superficie que la QSE-5. Les clients du secteur automobile exigent généralement des cellules prismatiques plus grandes, avec davantage de couches et une capacité accrue.
Le processus de production d’Osprey n’a été démontré jusqu’à présent qu’à l’échelle de laboratoire. Le développement de processus plus rapides est encore en cours.
À propos des batteries à état solide