Carregar baterias de estado sólido em 5 minutos? A QuantumScape acredita nisso.
A QuantumScape divulga pela primeira vez os resultados das células Osprey, a plataforma de estado sólido que busca superar as deficiências históricas dos eletrólitos à base de sulfetos. Segundo a empresa, as células resistiram a 1.000 ciclos mantendo 80% da capacidade inicial em condições consideradas padrão no setor, com apenas 1 atmosfera de pressão aplicada, valor muito inferior aos níveis exigidos até agora pelos acumuladores de sulfetos.
Outro dado importante é a recarga rápida em apenas cinco minutos, juntamente com uma densidade energética que pode chegar a cerca de 1.100 Wh/L. Esses números, se confirmados em escala industrial, afetariam dois dos limites mais discutidos dos carros elétricos atuais.
O separador cerâmico QS e o papel dos sulfetos
No centro da tecnologia QuantumScape Osprey encontra-se o separador cerâmico proprietário, produzido por meio de um processo contínuo que a empresa chama de Cobra. O material é quimicamente estável em contato com o lítio metálico. Essa característica permite uma alta eficiência coulombiana e torna possível um design “sem ânodo”, ou seja, sem excesso de lítio depositado no ânodo.
QuantumScape Osprey: o princípio de uma bateria totalmente de estado sólido
Foto de: QuantumScape
O separador resiste mecanicamente aos dendritos, as protuberâncias de lítio que podem perfurar os separadores poliméricos ou à base de sulfeto e causar curto-circuito na célula. Nos testes de segurança realizados pela empresa, as células comerciais suportaram temperaturas acima de 300°C sem provocar a chamada fuga térmica. Na geração atual, a plataforma QSE combina o mesmo separador com um cátodo NMC de alto teor de níquel e um católito líquido: essa é a base da QSE-5, o primeiro produto comercial da empresa.
Os eletrólitos à base de sulfeto continuam entre os mais estudados para baterias de estado sólido, graças à boa condutividade iônica e à relativa simplicidade no processamento em baixas temperaturas. Os fabricantes que os utilizaram como separadores enfrentaram, há mais de uma década, os mesmos obstáculos, segundo relata a empresa: baixa durabilidade nos ciclos, necessidade de pressões elevadas, desempenho fraco em baixas temperaturas e carregamentos lentos.
Como funciona o Osprey
A solução proposta pela QuantumScape é separar os dois problemas: usar o sulfeto não como separador, mas como católito sólido associado ao separador cerâmico QS. Nessa configuração, os íons de lítio se movem por meio de “ion hopping” através da estrutura do sulfeto. Esse mecanismo elimina o fenômeno da polarização típico dos eletrólitos líquidos, e é isso que permite a recarga em cinco minutos, segundo a empresa.
QuantumScape Osprey: maior densidade energética graças a cátodos muito mais espessos
Foto de: QuantumScape
A mesma propriedade permite cátodos muito mais carregados: até 10 mAh/cm2, aproximadamente o dobro dos 3-5 mAh/cm2 típicos das baterias de lítio convencionais. Um cátodo mais carregado requer menos camadas por célula, com menos separadores e coletores de corrente. O resultado é uma bateria globalmente mais densa do ponto de vista energético.
Os resultados divulgados referem-se a células unitárias de duas camadas, com área e carga catódica relevantes do ponto de vista comercial: 1.000 ciclos com 80% de retenção em temperatura ambiente, 1C/1C e descarga completa, além de capacidade acessível até -20 °C. A empresa afirma que nenhuma outra célula sólida à base de sulfeto demonstrou até agora a mesma combinação de resultados.
Vantagens prometidas pelas baterias de estado sólido QuantumScape Osprey
Foto de: QuantumScape
Próximos passos em direção à produção
Osprey foi desenvolvida como uma plataforma aberta: os clientes podem escolher o cátodo de sulfeto desenvolvido pela QuantumScape ou utilizar sua própria tecnologia de cátodo, mantendo as vantagens do separador cerâmico e do design sem ânodo. A empresa mantém parcerias com fabricantes automotivos para desenvolver o projeto.
Galeria de fotos: Plataforma para baterias de estado sólido QuantumScape Osprey
No entanto, ainda há etapas de engenharia a serem concluídas antes da produção em larga escala. Os resultados publicados provêm de células de dois camadas com a mesma área da QSE-5. Os clientes do setor automotivo costumam exigir células prismáticas maiores, com mais camadas e maior capacidade.
O processo de produção da Osprey foi demonstrado até agora apenas em escala de laboratório. O desenvolvimento de processos mais rápidos ainda está em andamento.
Sobre baterias de estado sólido