QuantumScape представляет полностью твердотельный аккумулятор Osprey: 1 000 циклов при давлении 1 атмосфера

Компания QuantumScape (QS) наконец переходит на полностью твердотельные решения. Ее новая платформа Osprey заменяет жидкость в катоде на твердый сульфидный электролит, и компания утверждает, что такие ячейки выдержали 1 000 полных циклов при 80% емкости при давлении всего одной атмосферы.

Это важное достижение для сторонников сульфидных технологий, к которым относятся Toyota, Samsung SDI, BYD и Factorial. Их ячейки обычно требуют сильного зажима для нормальной работы. Однако технический отчет, сопровождающий это заявление, показывает, что речь идет о небольших лабораторных образцах на ранней стадии разработки, причем некоторые указанные показатели имеют важные ограничения.

Текущие ячейки QuantumScape не являются полностью твердотельными

Вот что QuantumScape редко излагает так ясно: их текущий продукт не является полностью твердотельным.

В новом белом документе платформа QSE, включая ячейку QSE-5, которая поставляется в качестве образцов в рамках пилотного производства серии Eagle в Сан-Хосе, описывается как керамический разделитель в сочетании «с относительно традиционным катодом NMC с высоким содержанием никеля и жидким католитом».

Твердой частью является разделитель, который расположен между катодом и анодом из литиевого металла, который QuantumScape вообще не производит. Ячейка создается без анода, и во время первой зарядки литий наносится на разделитель.

Osprey сохраняет конструкцию без разделителя и анода, заменяя жидкий электролит в катоде на твердый сульфидный электролит. Благодаря этому вся ячейка становится твердой.

Сульфиды в качестве разделителей: QuantumScape по-прежнему против

Интересно то, что QuantumScape не изменила своего мнения относительно сульфидов. На протяжении многих лет компания утверждала, что сульфидные электролиты не могут использоваться в качестве разделителей, и в своем белом документе она еще более настаивает на этом, называя их проблемы «фундаментальными свойствами» материала, а не инженерными трудностями.

Компания выделяет четыре основные проблемы: сульфиды реагируют с литиевым металлом, им требуется высокое давление для поддержания контакта с электродами, они плохо функционируют при комнатной температуре и ниже, а также не способны обеспечить быструю зарядку с использованием литиевого металлического анода до того, как сформируются дендриты.

Самым важным фактором является давление, которое особенно важно для производителей автомобилей. QuantumScape иллюстрирует это следующим образом: 20 атмосфер на одну ячейку размером 10 x 24,2 см соответствуют примерно 5 000 кг силы, что равносильно весу трех автомобилей среднего размера. Чтобы выдержать такое давление во всей группе ячеек, требуются толстые стальные концевые пластины и соединительные стержни, что увеличивает вес, объем и стоимость.

При этом 20 атмосфер — это уже щедрое значение. Многие сульфидные ячейки в лабораториях работают при давлении от 30 до 100 и более атмосфер (от 3 до 12 МПа), а некоторые — даже при еще более высоком давлении. В сентябре китайская компания FAW сообщила о ячейках большого формата на основе сульфидов, работающих при давлении 5 МПа, что соответствует примерно 50 атмосферам, и это было представлено как достижение в области низкого давления.

Идея QuantumScape проста: сохранять сульфид на катоде, где он эффективно способствует перемещению ионов лития, а керамический разделитель QS заниматься металлическим литием.

Что показывают данные Osprey

Компания QuantumScape опубликовала четыре основных набора данных:

Срок службы: реальные результаты

Это самый впечатляющий результат. Батарея с двумя слоями и катодом размером 50 x 65 мм, таким же, как у модели QSE-5, проработала 1 000 циклов, сохранив примерно 80% емкости. В тестах использовалось полное зарядка и разрядка со скоростью 1C, уровень заряда от 0 до 100%, температура 30°C и давление 1 атм. Нагрузка на катод составляла 5,5 мА·ч/см², что соответствует показателям коммерческих аккумуляторов для электромобилей.

Компания QuantumScape утверждает, что ни один другой элемент на основе сульфида не демонстрировал подобных характеристик, и Electrek не смог найти опубликованных данных, противоречащих этому. Академические группы показывали, что элементы на сульфидах могут работать при минимальном или отсутствующем внешнем давлении, но не при 1000 полных циклах с сульфидным катодом и анодом из литиевого металла.

Однако это небольшой элемент. По нашим расчётам, два слоя такого размера дают емкость примерно 0,3–0,4 А·ч, в то время как у модели QSE-5 она составляет около 5 А·ч.

Быстрая зарядка: при 80°C

В пресс-релизе говорится о «быстрой зарядке за пять минут от 10% до 80%». В техническом отчёте указано, что это было достигнуто при температуре 10°C, в двухслойном элементе, при 80°C (176°F). На самой диаграмме указано: «Высокая температура позволяет осуществлять быструю зарядку за 5 минут».

Аккумуляторы заряжаются гораздо быстрее при высокой температуре, а электромобили сначала проводят предварительную подготовку перед быстрым зарядом. Тем не менее 80°C значительно выше температуры, при которой обычно проводится предварительная подготовка аккумуляторов электромобилей перед быстрым зарядом. QS не опубликовала результатов быстрого заряда при комнатной температуре.

Холодная погода: крошечный элемент

Утверждение «рабочий режим до -20°C» касается однослойного элемента с катодом размером 21 x 21 мм, который разряжался медленно со скоростью C/3. При температуре -20°C он сохранял 68% своей емкости при комнатной температуре (примерно 52% его энергии), а при 0°C — 85%.

Это реальный результат для сульфидных систем, которым традиционно требуется тепло. Но это крошечный элемент, работающий при медленной скорости разряда.

Плотность энергии: прогнозная

Цифра «до ~1 100 Вт·ч/л» является оценкой. Компания QS утверждает, что с использованием сульфидных катодов возможны катоды с высокой емкостью (10 мА·ч/см², примерно вдвое больше, чем у современных аккумуляторов для электромобилей). В ходе тестов, подтверждающих это, использовался аккумулятор размером с монету диаметром 11 мм при давлении 3 атмосферы, а не 1 атмосфера, причем тесты проводились в течение 100 циклов.

Для сравнения, характеристики аккумулятора QSE-5 составляют 844 Вт·ч/л и 301 Вт·ч/кг.

«Открытая платформа» для сульфидных катодов от других производителей

Более важной является бизнес-модель.

QuantumScape представляет Osprey как «открытую платформу». Клиенты могут использовать собственные сульфидные катоды компании QS, произведенные с применением секретного сухого процесса, или привнести свои собственные катоды. Компания утверждает, что уже тестировала Osprey с твердыми катодами, разработанными ее автомобильными клиентами.

Другими словами, после многих лет скептицизма по отношению к сульфидным технологиям, компания QuantumScape теперь хочет продавать свои разработки без использования сепараторов и анодов компаниям, которые вложили миллиарды долларов в разработку сульфидных катодов.

Это соответствует модели лицензирования, которую она уже использует с PowerCo от Volkswagen и Honda. В третьем квартале QuantumScape зафиксировала доходы от клиентов в размере 9,8 миллиона долларов и объявила о запуске производственной линии мощностью 100 МВт·ч с плановым началом производства модели QSE-5 в 2028 году.

Что касается проекта Osprey, то конкретных сроков нет. В белой книге говорится, что процесс был продемонстрирован «в лабораторных условиях», что процессы с более высокой производительностью находятся «на стадии разработки», и что «предстоит ещё много работы по инженерии процессов». Автопроизводители также хотят использовать более крупные призматические элементы, чем QSE-5, что означает большее количество слоев и большую площадь каждого слоя.

Место этого проекта в гонке за твердотельные аккумуляторы

Все остальные компании уже работают над этим проектом. Samsung SDI планирует начать массовое производство твердотельных элементов на основе сульфида на своем заводе в Ульсане во второй половине 2027 года. BYD намерена осуществлять производство в небольших партиях в 2027 году, а массовое производство — к концу десятилетия. Toyota ставит целью 2027–2028 годы, откладывая этот план с 2020, 2023 и 2026 годов. Платформа Solstice от Factorial предназначена для достижения энергоемкости до 450 Вт·ч/кг.

CATL, крупнейший в мире производитель аккумуляторов, в июне заявил, что настоящие твердотельные аккумуляторы для массового рынка появятся лишь «через несколько лет», примерно в 2030 году.

Ни одна из этих компаний не опубликовала данных о 1000 циклах работы при давлении 1 атмосфера с использованием сульфидного катода и анода из литиевого металла. Именно это и является первым шагом QuantumScape.

Мнение Electrek

Это самое интересное, что публиковало QuantumScape за последнее время. Цифры хороши, но, вероятно, больше всего привлекает смена стратегии.

Результаты, касающиеся срока службы аккумулятора, являются достоверными. Данные о двухслойном элементе с электродами коммерческого уровня и реалистичными условиями нагрузки, прошедшем 1 000 полных циклов зарядки/разрядки со скоростью 1C при давлении 1 атм и температуре 30°C, — это те показатели, которые отрасль ранее не публиковала. Кроме того, компания QS опубликовала условия тестирования, чего не делают многие её конкуренты.

Однако можно утверждать, что пресс-релиз преувеличивает содержание белой книги. 5-минутная зарядка при температуре 80°C — это не то же самое, что 5-минутная зарядка в обычных условиях, и об этом следовало бы упомянуть. Показатель энергетической плотности является оценочным, результаты в холодную погоду получены на элементе размером с почтовую марку, а показатель 80% после 1 000 циклов значительно ниже 95%, заявленного компанией PowerCo для ранних моделей в 2024 году. Разная химия, разная стадия разработки, но это факты, которые стоит учитывать.

Таким образом, QuantumScape по сути признаёт, что использование жидкого католита в технологии QSE — это не окончательное решение, и что масштабные инвестиции отрасли в сульфидные технологии следует использовать, а не противостоять им. Если ваш разделитель — единственная деталь, которую никто другой не может сделать работающей, то продавать её им — разумно.

Вопрос во времени. Компания QS всё ещё развивает технологию QSE-5, причём линия мощностью 100 МВт·ч будет готова только к 2028 году. Технология Osprey находится на стадии лабораторных испытаний. Сможет ли кто-то из сторонников сульфидных технологий получить лицензию на неё до того, как их собственные планы производства на 2027–2030 годы станут неизменными? По текущим данным, похоже, что это текущая ставка компании QS.