Зарядка твердотельных аккумуляторов за 5 минут? QuantumScape в это верит.
Компания QuantumScape впервые публикует результаты тестов элементов питания Osprey — твердотельной платформы, предназначенной для преодоления исторических недостатков электролитов на основе сульфидов. По словам компании, эти элементы выдержали более 1 000 циклов, сохранив 80% своей емкости в условиях, считающихся стандартом в отрасли, при этом давление внутри элементов составляло всего 1 атмосферу, что значительно меньше, чем требуется от аккумуляторов на сульфидной основе до сих пор.
Еще одним важным показателем является возможность быстрой зарядки всего за пять минут, а также энергетическая плотность, достигающая примерно 1 100 Вт·ч/л. Если эти цифры будут подтверждены в промышленных масштабах, они окажут влияние на два из наиболее обсуждаемых ограничений современных электромобилей.
Керамический разделитель QS и роль сульфидов
В основе технологии QuantumScape Osprey лежит собственный керамический разделитель, производимый с помощью процесса непрерывного потока, который компания называет Cobra. Этот материал химически стабилен при контакте с металлическим литием. Благодаря этой особенности достигается высокая куломбовская эффективность, что позволяет создавать конструкции без анода, то есть без избытка лития, накапливающегося на аноде.
QuantumScape Osprey: принцип полностью твердотельного аккумулятора
Фото: QuantumScape
Разделитель механически устойчив к дендритам — выступам лития, которые могут пробивать полимерные или сульфидные разделители и вызывать короткое замыкание в аккумуляторе. В ходе тестов на безопасность, проведённых компанией, коммерческие аккумуляторы выдерживали температуру свыше 300°C без возникновения так называемой тепловой утечки. В текущем поколении платформа QSE сочетает этот же разделитель с катодом NMC с высоким содержанием никеля и жидким католитом; это основа модели QSE-5, первого коммерческого продукта компании.
Электролиты на основе сульфида остаются одними из наиболее изучаемых для твердотельных аккумуляторов благодаря хорошей ионной проводимости и относительной простоте обработки при низких температурах. Как сообщает компания, производители, использующие их в качестве разделителей, уже более десяти лет сталкиваются с одинаковыми проблемами: низкая продолжительность циклов, необходимость высокого давления, слабые характеристики при низких температурах и медленная процедура зарядки.
Как работает Osprey
Решение, предложенное QuantumScape, заключается в разделении этих двух проблем: использовать сульфид не в качестве разделителя, а в качестве твердого католита в сочетании с керамическим разделителем QS. В такой конфигурации ионы лития перемещаются по структуре сульфида посредством процесса ионного прыжка. По словам компании, этот механизм устраняет явление поляризации, характерное для жидких электролитов, и именно это позволяет осуществлять зарядку за пять минут.
QuantumScape Osprey: более высокая энергетическая плотность благодаря гораздо более толстым катодам
Фото: QuantumScape
Та же самая особенность позволяет использовать катоды с гораздо более высокой емкостью: до 10 мА·ч/см², что примерно в два раза превышает значения 3–5 мА·ч/см², характерные для обычных литиевых аккумуляторов. Катод с более высокой емкостью требует меньшего количества слоев в элементе, а также меньшего количества разделителей и коллекторов тока. В результате аккумулятор становится в целом более энергонасыщенным.
Опубликованные результаты касаются двухслойных одиночных элементов с емкостью катода, имеющей коммерческое значение: 1 000 циклов при 80% сохранении заряда при комнатной температуре, зарядка и разрядка со скоростью 1C/1C, а также доступная емкость при температуре до -20 °C. Компания утверждает, что ни один другой твердотельный сульфидный элемент до сих пор не показал такого же набора характеристик.
Преимущества твердотельных аккумуляторов QuantumScape Osprey
Фото: QuantumScape
Следующие шаги на пути к производству
Osprey была создана как открытая платформа: клиенты могут выбрать собственный сульфидный катод от QuantumScape или применить собственную технологию катода, сохраняя преимущества керамического разделителя и конструкции без анода. Компания сотрудничает с автопроизводителями для развития этого проекта.
Галерея фотографий: Платформа для твердотельных аккумуляторов QuantumScape Osprey
Однако до массового производства остаётся завершить некоторые инженерные этапы. Опубликованные результаты получены с двухслойными элементами той же площади, что и у QSE-5. Клиенты автомобильной отрасли обычно требуют более крупных призматических элементов с большим количеством слоёв и повышенной емкостью.
Процесс производства Osprey на данный момент был продемонстрирован только в лабораторных условиях. Разработка более быстрых процессов всё ещё ведётся.
О твёрдотельных аккумуляторах