QuantumScape revela a bateria totalmente de estado sólido Osprey: 1.000 ciclos a 1 atm
A QuantumScape (QS) finalmente está adotando tecnologia totalmente de estado sólido. Sua nova plataforma Osprey substitui o líquido em seu cátodo por um eletrólito sólido de sulfeto, e a empresa afirma que essas células já completaram 1.000 ciclos completos mantendo 80% de sua capacidade mesmo sob uma única atmosfera de pressão.
Isso é um grande avanço para o grupo que utiliza tecnologia de sulfeto, que inclui Toyota, Samsung SDI, BYD e Factorial. Suas células normalmente precisam de fixação rigorosa para funcionar. No entanto, o documento técnico por trás do anúncio mostra que se trata de células pequenas, em fase inicial de desenvolvimento em laboratório, e alguns dos números divulgados vêm acompanhados de condições importantes.
As células atuais da QuantumScape não são totalmente de estado sólido
Aqui está algo que a QuantumScape raramente esclareceu de forma tão direta: seu produto atual não é totalmente de estado sólido.
O novo documento técnico descreve a plataforma QSE, incluindo a célula QSE-5 que está sendo enviada como amostras da produção piloto da linha Eagle em San Jose, como um separador cerâmico combinado com “um catodo NMC de alto teor de níquel, relativamente convencional, e um católito líquido.”
A parte sólida é o separador. Ele fica entre o catodo e um ânodo de lítio metálico que a QuantumScape não fabrica. A célula é construída “sem ânodo”, e as placas de lítio são pressionadas contra o separador durante a primeira carga.
A Osprey mantém esse design sem separador e sem ânodo, substituindo o líquido no cátodo por um eletrólito de sulfeto sólido. Isso torna toda a célula sólida.
Sulfetos como separadores: a QS ainda diz não
O interessante é que a QuantumScape não mudou de opinião sobre os sulfetos. Ela passou anos argumentando que os eletrólitos de sulfeto não podem funcionar como separadores, e o documento técnico reforça essa posição, classificando seus problemas como “propriedades fundamentais” do material e não como desafios de engenharia.
A empresa lista quatro problemas: os sulfetos reagem com o metal de lítio, precisam de alta pressão para manter contato com os eletrodos, têm dificuldades em temperatura ambiente e abaixo disso, e não conseguem suportar carregamento rápido com um ânodo de metal de lítio antes que se formem dendritos.
O ponto de pressão é o que mais preocupa os fabricantes de automóveis. A QuantumScape ilustra isso da seguinte maneira: 20 atm em uma única célula de 10 x 24,2 cm correspondem a aproximadamente 5.000 kg de força, o que equivale a cerca de três carros de tamanho médio. Para suportar essa pressão em um conjunto de células, são necessárias placas laterais de aço espessas e barras de conexão, o que aumenta o peso, o volume e o custo.
E 20 atm já é um valor generoso. Muitas células de sulfeto em laboratórios operam entre 30 e 100+ atm (3 a 12 MPa), e algumas até em valores ainda maiores. A chinesa FAW informou, em setembro, que células de sulfeto de grande formato funcionavam a 5 MPa, ou cerca de 50 atm, o que foi apresentado como uma conquista em termos de baixa pressão.
Portanto, a proposta da QS é simples: manter o sulfeto no cátodo, onde ele é eficaz na movimentação de íons de lítio, e deixar que o separador cerâmico QS cuide do metal de lítio.
O que os dados do Osprey mostram
A QuantumScape publicou quatro conjuntos principais de dados:
Vida útil em ciclos: o resultado real
Este é o resultado mais impressionante. Uma célula de 2 camadas com um cátodo de 50 x 65 mm, mesma área do QSE-5, realizou 1.000 ciclos mantendo cerca de 80% de sua capacidade. O teste utilizou carga e descarga a 1C, estado de carga de 0 a 100%, temperatura de 30°C e pressão de 1 atm. A carga no cátodo foi de 5,5 mAh/cm², o que está alinhado com as células de veículos elétricos comerciais.
A QuantumScape afirma que nenhuma outra célula baseada em sulfeto demonstrou isso, e a Electrek não encontrou dados publicados que contradizam essa afirmação. Grupos acadêmicos já mostraram células de sulfeto funcionando com pouca ou nenhuma pressão externa, mas não por 1.000 ciclos completos com cátodo de sulfeto e ânodo de lítio metálico.
Mas esta é uma célula pequena. De acordo com nossos cálculos, duas camadas desse tamanho resultam em aproximadamente 0,3 a 0,4 Ah, em comparação com cerca de 5 Ah para um QSE-5.
Carregamento rápido: a 80°C
O comunicado à imprensa menciona “carregamento rápido de cinco minutos de 10% para 80%”. O documento técnico mostra que isso foi alcançado a 10C, em uma célula de duas camadas, a 80°C (176°F). O próprio gráfico tem a legenda “Temperatura elevada permite carregamento rápido de 5 minutos.”
As baterias carregam muito mais rápido quando quentes, e os veículos elétricos realizam o pré-condicionamento dos packs antes do carregamento rápido. Ainda assim, 80°C está bem acima da temperatura a que os packs de veículos elétricos costumam ser pré-condicionados antes de um carregamento rápido. A QS não publicou um resultado de carregamento rápido em temperatura ambiente.
Clima frio: uma célula pequena
A afirmação de “funcionamento até -20°C” se refere a uma célula de camada única com cátodo de 21 x 21 mm, descarregada lentamente em C/3. Ela manteve 68% de sua capacidade em temperatura ambiente a -20°C (cerca de 52% de sua energia) e 85% a 0°C.
Esse é um resultado real para um sistema de sulfeto, que historicamente precisava de calor. Mas trata-se de uma célula pequena e com taxa de descarga baixa.
Densidade energética: projeção
O valor de “até ~1.100 Wh/L” é uma projeção. A QS afirma que cátodos com alta capacidade de carga (10 mAh/cm², aproximadamente o dobro das células atuais de veículos elétricos) são possíveis com católitos de sulfeto. O teste que sustenta isso utilizou uma célula do tamanho de uma moeda de 11 mm a 3 atm, e não a 1 atm, e foi realizado por 100 ciclos.
Para referência, o QSE-5 tem uma capacidade de 844 Wh/L e 301 Wh/kg.
Uma “plataforma aberta” para os cátodos de sulfeto de outros fabricantes
O modelo de negócios é o aspecto mais importante.
A QuantumScape apresenta o Osprey como uma “plataforma aberta”. Os clientes podem usar o próprio cátodo de sulfeto da QS, produzido por meio de um processo exclusivo, ou trazer o seu próprio. A empresa afirma já ter testado o Osprey com cátodos sólidos desenvolvidos por seus clientes do setor automotivo.
Em outras palavras, após anos sendo cética em relação aos sulfetos, a QuantumScape agora deseja vender seu design sem separador e ânodo às empresas que investiram bilhões no desenvolvimento de cátodos à base de sulfetos.
Isso se encaixa no modelo de licenciamento que ela já utiliza com a PowerCo da Volkswagen e a Honda. A QS informou receitas de 9,8 milhões de dólares com clientes no terceiro trimestre e anunciou uma linha de produção de 100 MWh com previsão de início das operações em 2028 para o QSE-5.
Não há prazo definido para o Osprey. O documento técnico afirma que o processo foi demonstrado “em escala de laboratório”, que processos com maior capacidade de produção estão “em fase de desenvolvimento” e que “ainda há muito trabalho a ser feito em engenharia de processos”. As montadoras também desejam células prismáticas maiores do que as do QSE-5, o que significa mais camadas e mais área por camada.
Onde isso se insere na corrida pelos dispositivos de estado sólido
Todas as outras empresas estão trabalhando nisso. A Samsung SDI pretende iniciar a produção em massa de células de estado sólido a base de sulfeto em sua fábrica em Ulsan na segunda metade de 2027. A BYD planeja produzir em pequenas quantidades essas células em 2027, com produção em massa prevista para o final da década. A Toyota estabeleceu como meta o período de 2027 a 2028, após adiar o plano para 2020, 2023 e 2026. A plataforma Solstice, desenvolvida pela Factorial, tem como objetivo alcançar até 450 Wh/kg.
A CATL, maior fabricante de baterias do mundo, afirmou em junho que a verdadeira comercialização em massa de baterias de estado sólido ainda está “a anos de distância”, provavelmente por volta de 2030.
Nenhuma dessas empresas divulgou dados de 1.000 ciclos a 1 atm com cátodo de sulfeto e ânodo de metal de lítio. É nesse ponto que a QuantumScape faz sua primeira aparição.
Opinião da Electrek
Este é o material mais interessante que a QuantumScape publicou nos últimos tempos. Os números são bons, mas a mudança de estratégia é provavelmente o aspecto mais destacado.
O resultado relativo à vida útil do ciclo é confiável. Uma célula de 2 camadas com eletrodos de área comercial e condições de carga realistas, que realiza 1.000 ciclos completos a 1 C, a 1 atm e 30°C, é o tipo de dado que a indústria ainda não apresentou. Além disso, a QS divulgou as condições do teste, o que é mais do que fazem muitos de seus concorrentes.
Mas pode-se argumentar que o comunicado à imprensa exagera o que está descrito no white paper. Uma carga de 5 minutos a 80°C não é a mesma coisa que uma carga de 5 minutos, e o comunicado deveria ter esclarecido isso. A densidade energética é uma projeção, o resultado em condições de clima frio vem de uma célula do tamanho de um selo postal, e 80% após 1.000 ciclos está bem abaixo dos 95% após 1.000 ciclos confirmados pela PowerCo nas células iniciais da QSE em 2024. Química diferente, estágio diferente, mas algo que vale a pena ter em mente.
Portanto, a QuantumScape está, essencialmente, admitindo que o católito líquido no QSE não é a solução final, e que o enorme investimento do setor em sulfetos deve ser integrado, e não combatido. Se o seu separador for a única parte que os outros não conseguem fazer funcionar, vendê-lo a eles é uma estratégia inteligente.
A questão é o tempo. A QS ainda está ampliando a produção do QSE-5, sendo que uma linha com capacidade de 100 MWh só estará pronta em 2028. O Osprey é um processo de laboratório. Alguém do grupo dos que utilizam sulfetos vai licenciá-lo antes que seus próprios planos de produção para 2027 a 2030 fiquem definidos? Por enquanto, parece que essa é a aposta da QS no momento.