QuantumScape представляє акумулятор Osprey з повністю твердотільною структурою: 1 000 циклів при тиску 1 атмосфера

Компанія QuantumScape (QS) нарешті переходить на технологію акумуляторів усього твердого стану. Її нова платформа Osprey замінює рідину в катоді на твердий сульфідний електроліт, і компанія стверджує, що ці акумулятори витримали 1 000 повних циклів при 80% ємності при тиску всього однієї атмосфери.

Це важлива подія для тих, хто працює над сульфідними акумуляторами, до яких належать Toyota, Samsung SDI, BYD та Factorial. Їхні акумулятори зазвичай потребують сильного фіксування для нормальної роботи. Однак у документі, що супроводжує це оголошення, зазначено, що це невеликі, ранні лабораторні зразки, а деякі цифри наведені за певних умов.

Текущі елементи QuantumScape не є повністю твердотільними

Ось що QuantumScape рідко формулює так чітко: їхній поточний продукт не є повністю твердотільним.

У новій білій книзі описується платформа QSE, включаючи елемент QSE-5, який постачається як зразки з пілотного виробництва лінійки Eagle у Сан-Хосе, як керамічний розділювач у поєднанні з „відносно звичайним катодом NMC з високим вмістом нікелю та рідким католітом“.

Твердою частиною є розділювач. Він розташований між катодом та анодом з літієвого металу, який QuantumScape взагалі не виробляє. Елемент будується „без анода“, і під час першого заряджання літій наноситься на розділювач.

Osprey зберігає цей дизайн без використання розділювача та анода, а рідину в катоді замінює на твердий сульфідний електроліт. Це робить всю клітину твердою.

Сульфіди як розділювачі: QS все ще відмовляється

Цікаво те, що QuantumScape не змінила своєї думки щодо сульфідів. Протягом багатьох років компанія стверджувала, що сульфідні електроліти не можуть використовуватися як розділювачі, а у білій книзі ця позиція підкреслюється ще більше — їхні проблеми називаються „фундаментальними властивостями“ матеріалу, а не інженерними викликами.

Компанія називає чотири проблеми: сульфіди реагують з літієвим металом, їм потрібен високий тиск для підтримки контакту з електродами, вони погано функціонують при кімнатній температурі та нижче, а також не можуть витримувати швидке заряджання з літієвим-металевим анодом до утворення дендритів.

Найбільше автовиробники турбуються саме проблемою тиску. QuantumScape ілюструє це так: 20 атм на одну клітинку розміром 10 x 24,2 см дорівнює приблизно 5 000 кг сили, що еквівалентно вазі трьох автомобілів середнього розміру. Щоб витримати такий тиск у всій конструкції, потрібні товсті сталеві кінцеві пластини та з’єднувальні стержні, що збільшує вагу, об’єм та витрати.

Крім того, 20 атм — це ще й невелике значення. Багато сульфідних клітин у лабораторіях працюють при тиску від 30 до 100+ атм (3 до 12 МПа), а деякі — навіть вище. У вересні китайська компанія FAW повідомила про великогабаритні сульфідні клітини, які працюють при тиску 5 МПа, тобто приблизно 50 атм, що було представлено як досягнення у сфері низького тиску.

Отже, ідея QuantumScape проста: зберігати сульфід у катоді, де він ефективно сприяє переміщенню іонів літію, а керамічний розділювач QS буде відповідати за літій у металевому вигляді.

Що показують дані Osprey

QuantumScape оприлюднила чотири основні набори даних:

Тривалість циклів: реальні результати

Це найкращий результат. Батарея з 2 шарами та катодом розміром 50 x 65 мм, що дорівнює площі катоду у моделі QSE-5, пройшла 1 000 циклів, зберігши приблизно 80% ємності. У тесті використовувалося повне заряджання та розряджання зі швидкістю 1C, рівень заряду від 0 до 100%, температура 30°C та тиск 1 атм. Навантаження на катод становило 5,5 мА·год/см², що відповідає характеристикам комерційних батарей для електромобілів.

QuantumScape стверджує, що жоден інший елемент на основі сульфіду не демонстрував таких характеристик, а Electrek не знайшов опублікованих даних, які б це спростовували. Наукові групи показували, що елементи на основі сульфіду можуть працювати при мінімальному або взагалі без зовнішнього тиску, але не протягом 1 000 повних циклів із сульфідним катодом та анодом з літій-металу.

Але це невеликий елемент. Згідно з нашими розрахунками, два шари такого розміру дають приблизно 0,3–0,4 А·год, на відміну від приблизно 5 А·год у моделі QSE-5.

Швидке заряджання: при 80°C

У прес-релізі зазначено «швидке заряджання протягом п’яти хвилин від 10% до 80%». У білій книзі пояснюється, що цього досягли при температурі 10°C у двошаровому елементі при 80°C (176°F). Сама діаграма має підпис «Висока температура дозволяє швидке заряджання протягом 5 хвилин».

Акумулятори заряджаються набагато швидше при високій температурі, а електромобілі проводять попередню підготовку перед швидким заряджанням. Проте 80°C значно вище температури, при якій зазвичай підготовлюють акумулятори електромобілів до швидкого заряджання. QS не оприлюднила результатів швидкого заряджання при кімнатній температурі.

Холодна погода: крихітний елемент

Інформація про „роботу при температурі до -20°C“ стосується одношарового елемента з катодом розміром 21 x 21 мм, який розряджався повільно зі швидкістю C/3. Він зберіг 68% своєї ємності при кімнатній температурі при -20°C (приблизно 52% енергії) та 85% при 0°C.

Це справжній результат для сульфідних систем, які традиційно потребують нагріву. Але це крихітний елемент, який працює при помірній швидкості розряду.

Щільність енергії: прогнозна

Цифра „до ~1 100 Вт·год/л“ є оцінкою. Компанія QS стверджує, що катоди з високою ємністю (10 мА·год/см², приблизно вдвічі більше, ніж у сучасних електромобільних акумуляторах) можливі за допомогою сульфідних католітів. Для підтвердження цього були проведені випробування з використанням елемента розміром з монету 11 мм при тиску 3 атм, а не 1 атм, протягом 100 циклів.

Для порівняння, ефективність QSE-5 становить 844 Вт·год/л та 301 Вт·год/кг.

„Відкрита платформа“ для сульфідних катодів інших виробників

Бізнес-модель є важливішим аспектом.

QuantumScape пропонує Osprey як „відкриту платформу“. Клієнти можуть використовувати власні сульфідні катоди компанії QS, виготовлені за спеціальною сухою технологією, або принести свої. Компанія стверджує, що вже протестувала Osprey з твердими катодами, розробленими її автомобільними клієнтами.

Іншими словами, після багатьох років скептицизму щодо сульфідних технологій, QuantumScape тепер хоче продавати свої розробки без використання сепараторів та анодів компаніям, які витратили мільярди на розробку сульфідних катодів.

Це відповідає моделі ліцензування, яку вона вже використовує з PowerCo Volkswagen та Honda. У третьому кварталі компанія зафіксувала дохід від клієнтів у розмірі 9,8 мільйона доларів та оголосила про створення виробничої лінії потужністю 100 МВт·год з метою початку виробництва продукту QSE-5 у 2028 році.

Щодо проекту Osprey — часових рамок немає. У білій книзі зазначено, що процес було продемонстровано „у лабораторних умовах“, що процеси з вищою продуктивністю знаходяться „на стадії розробки“, а також що „залишається значна робота з інженерії процесів“. Автовиробники також хочуть призматичні елементи більшого розміру, ніж QSE-5, що означає більше шарів та більшу площу на кожен шар.

Місце цього у гонці за твердотільні акумулятори

Усі інші компанії вже працюють над цим. Samsung SDI планує почати масове виробництво твердотільних елементів на основі сульфідів на своєму заводі в Ульсані у другій половині 2027 року. BYD планує виробництво в невеликих партіях у 2027 році, а масове – наприкінці десятиліття. Toyota ставить ціль на період з 2027 по 2028 рік, відклавши її з 2020, 2023 та 2026 років. Платформа Solstice від Factorial має досягати енергійності 450 Вт·г/кг.

CATL, найбільший у світі виробник акумуляторів, у червні заявив, що справжні твердотільні акумулятори для масового ринку все ще знаходяться „на кілька років далі“ – приблизно у 2030 році.

Жодна з цих компаній не оприлюднила даних про 1000 циклів роботи при тиску 1 атмосфера з сульфідним катодом та анодом з літій-металу. Саме це є першим кроком від QuantumScape.

Думка Electrek

Це найцікавіше, що QuantumScape оприлюднило останнім часом. Цифри гарні, але, ймовірно, найбільше привертає увагу зміна стратегії.

Результати тесту на тривалість роботи є достовірними. Дані про 2-шарову батарею з електродами комерційного рівня та реалістичним навантаженням, яка пройшла 1 000 повних циклів 1C при тиску 1 атм та температурі 30°C, — це саме ті дані, яких індустрія раніше не надавала. Крім того, QS оприлюднила умови тестування, що є кращим показником, ніж у багатьох її конкурентів.

Проте можна стверджувати, що прес-реліз перебільшує те, що описано у білій книзі. 5 хвилин зарядки при температурі 80°C — це не те саме, що 5 хвилин зарядки в інших умовах, і у прес-релізі слід було про це зазначити. Показник щільності енергії є орієнтовним, результати для холодної погоди отримані для батареї розміром з поштову марку, а показник у 80% після 1 000 циклів значно нижчий за 95%, яке PowerCo підтвердила для ранніх батарей у 2024 році. Різна хімія, різний етап розвитку, але це те, що варто мати на увазі.

Отже, QuantumScape по суті визнає, що рідкий католіт у технології QSE — це не кінцева мета, і що масові інвестиції галузі у сульфіди потрібно використовувати, а не протистояти їм. Якщо ваш розділювач — це єдиний елемент, який інші не можуть ефективно використовувати, то продавати його їм — це розумно.

Питання полягає у часі. Компанія QS все ще розширює виробництво технології QSE-5, причому лінія потужністю 100 МВт·год буде готова лише у 2028 році. Технологія Osprey знаходиться на стадії лабораторних досліджень. Чи хтось із компаній, які працюють із сульфідами, надасть на неї ліцензію до того, як їхні власні плани виробництва на 2027–2030 роки стануть незмінними? Наразі схоже, що це саме та ставка, яку робить QuantumScape.