Czy naładowanie baterii stałych stanów zajmuje 5 minut? QuantumScape w to wierzy
QuantumScape po raz pierwszy ujawnia wyniki badań komórek Osprey – platformy na bazie ciał stałych, która ma na celu przezwyciężenie historycznych wad elektrolitów na bazie siarczków. Według firmy komórki te przetrwały 1.000 cykli, zachowując 80% swojej pojemności w warunkach uznawanych za standard w branży, przy jednoczesnym utrzymaniu ciśnienia zaledwie 1 atmosfery, co jest znacznie mniej niż poziom wymagany dotychczas przez akumulatory na bazie siarczków.
Najważniejszym dodatkowym atutem jest możliwość szybkiego ładowania w zaledwie pięć minut oraz gęstość energetyczna sięgająca około 1.100 Wh/L. Są to wartości, które, jeśli zostaną potwierdzone na skalie przemysłowej, wpłyną na dwa z najczęściej krytykowanych ograniczeń współczesnych samochodów elektrycznych.
Ceramiczny separator QS i rola siarczków
W centrum technologii QuantumScape Osprey znajduje się własny ceramiczny separator, wytwarzany przy użyciu procesu ciągłego, który firma nazywa Cobra. Materiał ten jest chemicznie stabilny w kontakcie z metalem litu. Ta cecha zapewnia wysoką efektywność coulombowską i umożliwia projekt „bez anody”, czyli bez nadmiaru litu osadzonego na anodzie.
QuantumScape Osprey – zasada baterii w pełni w stanie stałym
Zdjęcie: QuantumScape
Separator mechanicznie odpiera dendryty, czyli wybrzuszenia litu, które mogą przeniknąć przez separatory polimerowe lub na bazie siarczku i spowodować zwarcie w komórce. W testach bezpieczeństwa przeprowadzonych przez firmę, komórki komercyjne wytrzymały temperatury powyżej 300°C bez wywołania tak zwanego wycieku cieplnego. W obecnej generacji platforma QSE łączy ten sam separator z katodą NMC o wysokim zawartości niklu oraz z katolitem ciekłym – stanowi to podstawę QSE-5, pierwszego produktu komercyjnego firmy.
Elektrolity na bazie siarczku pozostają jednymi z najbardziej badanych w kontekście baterii stałych ze względu na dobrą przewodność jonową oraz stosunkową prostotę obróbki w niskich temperaturach. Producenci, którzy używali ich jako separatorów, od ponad dekady borykają się z tymi samymi trudnościami, jak podaje firma: krótka żywotność w cyklach, konieczność stosowania wysokich ciśnień, słabe osiągi w niskich temperaturach oraz powolne ładowanie.
Jak działa Osprey
Rozwiązanie proponowane przez QuantumScape polega na rozdzieleniu tych dwóch problemów: zamiast używać siarczku jako separatora, stosuje się go jako stały katolit połączony z ceramicznym separatorem QS. W tej konfiguracji jony litu przemieszczają się poprzez strukturę siarczku za pomocą mechanizmu ion hopping. Ten mechanizm eliminuje zjawisko polaryzacji typowe dla elektrolitów ciekłych, co według firmy umożliwia ładowanie baterii w ciągu pięciu minut.
QuantumScape Osprey: wyższa gęstość energetyczna dzięki znacznie grubszym katodom
Zdjęcie: QuantumScape
To samo właściwość umożliwia użycie katod o znacznie wyższej gęstości energii: do 10 mAh/cm2, co stanowi około dwukrotność wartości 3–5 mAh/cm2 typowych dla konwencjonalnych baterii litowych. Katoda o wyższej gęstości wymaga mniej warstw w komórce, a więc mniej separatorów i kolektorów prądu. W rezultacie bateria jest ogólnie bardziej gęsta pod względem energii.
Opublikowane wyniki dotyczą pojedynczych komórek dwuwarstwowych o powierzchni i gęstości energii katody istotnych z punktu widzenia komercyjnego: 1000 cykli przy 80% pojemności w temperaturze pokojowej, prąd ładowania 1C/1C oraz pełne rozładowanie, a także dostępna pojemność nawet przy temperaturze -20 °C. Firma twierdzi, że żadna inna komórka na bazie siarczku w stanie stałym nie wykazała dotychczas takiej samej kombinacji wyników.
Zalety obiecane przez baterie w stanie stałym QuantumScape Osprey
Zdjęcie: QuantumScape
Kolejne kroki w kierunku produkcji
Osprey powstało jako otwarta platforma: klienci mogą wybrać własny katodę siarczanową firmy QuantumScape lub zastosować własną technologię katody, zachowując korzyści płynące z ceramicznego separatora oraz konstrukcji bez anody. Firma współpracuje z producentami samochodów nad rozwijaniem tego projektu.
Galeria zdjęć: Platforma dla baterii w stanie stałym QuantumScape Osprey
Należy jednak dokończyć jeszcze prace inżynieryjne przed rozpoczęciem produkcji na dużą skalę. Opublikowane wyniki pochodzą z komórek dwuwarstwowych o tej samej powierzchni co QSE-5. Klienci z branży motoryzacyjnej zazwyczaj wymagają większych komórek pryzmatycznych, z większą liczbą warstw i wyższą pojemnością.
Proces produkcyjny Osprey został dotychczas udowodniony jedynie w skali laboratoryjnej. Rozwój procesów o wyższej szybkości jest nadal w trakcie.
O bateriach w stanie stałym