QuantumScape presenta la cella completamente a stato solido Osprey: 1.000 cicli a 1 atm

QuantumScape (QS) sta finalmente passando completamente a soluzioni a stato solido. La sua nuova piattaforma Osprey sostituisce il liquido presente nel catodo con un elettrolita solido a solfuro, e l’azienda afferma che queste celle hanno resistito a 1.000 cicli completi mantenendo il 80% della capacità anche a una pressione di un’atmosfera soltanto.

Questo rappresenta un passo importante per il gruppo che utilizza materiali a base di solfuro, tra cui Toyota, Samsung SDI, BYD e Factorial. Le loro celle richiedono solitamente un fissaggio molto stretto per funzionare correttamente. Tuttavia, il documento tecnico allegato all’annuncio indica che si tratta di celle di laboratorio di piccole dimensioni, e alcuni dei dati riportati sono accompagnati da condizioni specifiche.

Le celle attuali di QuantumScape non sono interamente a stato solido

Ecco qualcosa che QuantumScape ha raramente spiegato in modo così chiaro: il suo prodotto attuale non è interamente a stato solido.

Il nuovo documento tecnico descrive la piattaforma QSE, compresa la cella QSE-5 che viene inviata come campione nell’ambito della produzione pilota Eagle Line a San Jose, come un separatore in ceramica abbinato a “un catodo NMC ad alto contenuto di nichel, relativamente convenzionale, e a un catolita liquido.”

La parte solida è il separatore, che si trova tra il catodo e un anodo in litio-metallo che QuantumScape non produce affatto. La cella viene costruita “senza anodo”, e durante la prima carica il litio si deposita sul separatore.

L’Osprey mantiene quel design senza separatori e anodi, sostituendo il liquido presente nel catodo con un elettrolita solido a base di solfuro. Ciò rende l’intera cella solida.

I solfuri come separatori: QuantumScape continua a dire di no

La parte interessante è che QuantumScape non ha cambiato idea sui solfuri. Negli anni ha sostenuto che gli elettroliti a base di solfuro non possono funzionare come separatori, e il documento tecnico rafforza questa posizione, definendo i loro problemi “proprietà fondamentali” del materiale piuttosto che sfide ingegneristiche.

L’azienda elenca quattro problemi: i solfuri reagiscono con il metallo di litio, richiedono alta pressione per mantenere il contatto con gli elettrodi, presentano difficoltà a temperatura ambiente e inferiore, e non sono in grado di gestire la ricarica rapida con un anodo di metallo di litio prima che si formino i dendriti.

Il punto critico legato alla pressione è quello che preoccupa di più i produttori automobilistici. QuantumScape lo illustra così: 20 atm su una singola cella di dimensioni 10 x 24,2 cm corrispondono a una forza di circa 5.000 kg, equivalente a circa tre automobili di medie dimensioni. Per resistere a tali pressioni in un insieme di celle, sono necessarie piastre esterne in acciaio spesso e barre di collegamento, elementi che aumentano peso, volume e costo.

Inoltre, 20 atm rappresenta già un valore piuttosto elevato. Molte celle a solfuro nei laboratori funzionano a pressioni comprese tra 30 e 100+ atm (3 e 12 MPa), e alcune addirittura a pressioni ancora più alte. A settembre, la cinese FAW ha annunciato che le sue celle a solfuro di grandi dimensioni funzionano a 5 MPa, ovvero circa 50 atm, considerato un risultato significativo per basse pressioni.

So che il concetto di base di QS è semplice: mantenere i solfuri nel catodo, dove sono efficaci nel far muovere gli ioni di litio, e lasciare che il separatore in ceramica QS si occupi del metallo di litio.

Ciò che mostrano i dati di Osprey

QuantumScape ha pubblicato quattro set principali di dati:

Vita utile dei cicli: il risultato reale

Questo è il risultato più positivo. Una cella a 2 strati con un catodo di 50 x 65 mm, identica per dimensioni a quella del QSE-5, ha resistito a 1.000 cicli mantenendo circa l’80% della capacità iniziale. Il test è stato effettuato con una carica e una scarica a 1C, uno stato di carica da 0 a 100%, una temperatura di 30°C e una pressione di 1 atm. Il carico sul catodo era di 5,5 mAh/cm², valore in linea con le celle per veicoli elettrici commerciali.

QuantumScape afferma che nessun’altra cella a base di solfuro ha mostrato questo risultato, e Electrek non è riuscito a trovare dati pubblicati che lo contraddicano. Alcuni gruppi accademici hanno dimostrato che le cellule a solfuro possono funzionare con poca o nessuna pressione esterna, ma non per 1.000 cicli completi utilizzando un catodo a solfuro e un anodo di litio-metallico.

Tuttavia si tratta di una cella di piccole dimensioni. Secondo i nostri calcoli, due strati di quelle dimensioni forniscono una capacità di circa 0,3-0,4 Ah, rispetto ai circa 5 Ah della QSE-5.

Caricamento rapido: a 80°C

Nella nota stampa si parla di “caricamento rapido in cinque minuti dal 10% all’80%”. Il documento tecnico indica che questo risultato è stato ottenuto a 10C, in una cella a due strati, a 80°C (176°F). La stessa grafica è contrassegnata con la didascalia “L’alta temperatura consente un caricamento rapido in 5 minuti”.

Le batterie si caricano molto più velocemente quando sono calde, e i veicoli elettrici eseguono una fase di precondizionamento prima della carica rapida. Tuttavia, i 80°C sono ben al di sopra della temperatura a cui di solito vengono precondizionate le batterie dei veicoli elettrici prima di una carica rapida. QS non ha pubblicato i risultati relativi alla carica rapida a temperatura ambiente.

Temperatura bassa: una cella minuscola

L’affermazione “funziona fino a -20°C” riguarda una cella a singolo strato con un catodo di 21 x 21 mm, scaricata lentamente a C/3. Ha mantenuto il 68% della sua capacità a temperatura ambiente a -20°C (circa il 52% della sua energia) e l’85% a 0°C.

Si tratta di un risultato reale per un sistema a solfuro, che storicamente richiedeva calore. Tuttavia si tratta di una cella minuscola e con un tasso di scarica lento.

Densità energetica: stima

Il valore di “fino a ~1.100 Wh/L” è una stima. Secondo QS, è possibile utilizzare catodi ad alta capacità di carica (10 mAh/cm², circa il doppio rispetto alle celle per veicoli elettrici attuali) con catoliti a solfuro. Il test a sostegno di questa affermazione ha utilizzato una cella delle dimensioni di una moneta da 11 mm a 3 atm, e non a 1 atm, e ha durato 100 cicli.

A titolo di riferimento, il QSE-5 presenta un valore di 844 Wh/L e 301 Wh/kg.

Una “piattaforma aperta” per i catodi a solfuro di terze parti

Il modello di business rappresenta l’aspetto più importante.

QuantumScape presenta Osprey come una “piattaforma aperta”. I clienti possono utilizzare il catodo a solfuro prodotto da QS, realizzato con un processo proprietario, oppure portare il proprio. QS afferma di aver già testato Osprey con catodi solidi sviluppati dai suoi clienti del settore automobilistico.

In altre parole, dopo anni di scetticismo nei confronti dei materiali a base di solfuro, QuantumScape ora vuole vendere il proprio sistema di separazione e il proprio design senza anodo alle aziende che hanno investito miliardi nello sviluppo di catodi a base di solfuro.

Questo si adatta al modello di licenza che l’azienda utilizza già con PowerCo di Volkswagen e Honda. QuantumScape ha registrato ricavi per 9,8 milioni di dollari nei primi tre mesi dell’anno e ha annunciato una linea di produzione da 100 MWh, con inizio delle operazioni previsto per il 2028 per il prodotto QSE-5.

Per Osprey non è stato fissato alcun calendario. Nel documento tecnico si afferma che il processo è stato dimostrato “su scala di laboratorio”, che processi con maggiore capacità di produzione sono “nella fase di sviluppo” e che “restano ancora compiti importanti da svolgere in ambito di ingegneria dei processi”. Inoltre, i produttori di automobili desiderano celle prismatiche più grandi rispetto a quelle QSE-5, il che implica più strati e una superficie maggiore per strato.

Il ruolo di questo progetto nella corsa ai batterie a stato solido

Tutte le altre aziende sono già al lavoro su questo progetto. Samsung SDI punta alla produzione di massa di celle a stato solido a base di solfuro nella sua fabbrica di Ulsan nella seconda metà del 2027. BYD prevede una produzione su piccola scala di tali celle nel 2027, con la produzione di massa prevista verso la fine del decennio. Toyota mira al periodo tra il 2027 e il 2028, dopo aver posticipato gli obiettivi a 2020, 2023 e 2026. La piattaforma Solstice a base di solfuro di Factorial punta a raggiungere un’energia specifica di 450 Wh/kg.

CATL, il più grande produttore di batterie al mondo, ha dichiarato a giugno che una vera batteria a stato solido per il mercato di massa è ancora “a anni di distanza”, intorno al 2030.

Nessuna di queste aziende ha pubblicato dati relativi a 1.000 cicli a 1 atm con un catodo a base di solfuro e un anodo di litio-metallico. Questo rappresenta il primo passo di QuantumScape.

La opinione di Electrek

Questo è il contenuto più interessante pubblicato da QuantumScape da tempo. I numeri sono buoni, ma è probabilmente il cambiamento di strategia ad essere il più evidente.

I risultati relativi alla durata del ciclo sono attendibili. Una cella a 2 strati con elettrodi di tipo commerciale e un carico realistico, che effettua 1.000 cicli completi a 1C a 1 atm e 30°C, rappresenta proprio il tipo di dati che l’industria non aveva ancora presentato. Inoltre, QS ha reso pubbliche le condizioni di test, il che è più di quanto facciano molti dei suoi concorrenti.

Tuttavia si può sostenere che la nota stampa esageri quanto riportato nel white paper. Una carica di 5 minuti a 80°C non è la stessa cosa di una carica di 5 minuti in altre condizioni, e la nota avrebbe dovuto specificarlo. La densità energetica è una stima, il risultato ottenuto in condizioni di freddo proviene da una cella delle dimensioni di un francobollo, e l’80% di efficienza dopo 1.000 cicli è notevolmente inferiore al 95% registrato dopo lo stesso numero di cicli nelle prime cellle di PowerCo nel 2024. Chimica diversa, fase di sviluppo diversa, ma aspetti da tenere a mente.

Sappiamo che QuantumScape sta di fatto ammettendo che il catolita liquido utilizzato nel QSE non rappresenti la soluzione definitiva, e che gli ingenti investimenti del settore nei solfuri vadano sfruttati piuttosto che contrastati. Se il separatore è l’unico componente che gli altri non riescono a far funzionare, venderlo a loro è una mossa intelligente.

La questione è il tempo. QS sta ancora sviluppando il QSE-5, con una linea da 100 MWh prevista solo per il 2028. Osprey è ancora un processo di laboratorio. Qualcuno nel campo dei solfuri concederà una licenza prima che i propri piani di produzione per il 2027-2030 diventino definitivi? A questo punto, sembra che questa sia la scommessa attuale di QS.