Зарядка твердотільних акумуляторів за 5 хвилин? QuantumScape у це вірить.
Компанія QuantumScape уперше оприлюднила результати тестів елементів Osprey — твердотільної платформи, яка намагається подолати історичні недоліки електролітів на основі сульфідів. За даними компанії, елементи витримали понад 1 000 циклів, зберігши 80% своєї ємності за умов, які вважаються стандартом у галузі, при цьому тиск, який застосовувався, становив лише 1 атмосферу, що значно менше, ніж вимагається від акумуляторів на сульфідах до цього часу.
Ще одним важливим показником є можливість швидкого заряджання протягом лише п’яти хвилин, разом із енергетичною щільністю, яка може досягати близько 1 100 Вт·год/л. Якщо ці показники будуть підтверджені на промисловому рівні, вони вплинуть на два найбільш обговорювані обмеження сучасних електромобілів.
Керамічний сепаратор QS та роль сульфідів
У центрі технології QuantumScape Osprey знаходиться власний керамічний сепаратор, виготовлений за допомогою процесу неперервного потоку, який компанія називає Cobra. Цей матеріал є хімічно стабільним при контакті з металевим літієм. Ця властивість забезпечує високу куломбівську ефективність та дозволяє створити дизайн „без анода“, тобто без надлишку літію, що накопичується на аноді.
QuantumScape Osprey – принцип абсолютно твердотільного акумулятора
Фото: QuantumScape
Розділювач механічно стійкий до дендритів – виступів літію, які можуть пробити полімерні чи сульфідні розділювачі та спричинити коротке замикання в акумуляторі. Під час тестів на безпеку, проведених компанією, комерційні акумулятори витримали температуру понад 300°C, не викликаючи так званої теплової втрати. У поточному поколінні платформа QSE поєднує цей самий розділювач із катодом NMC з високим вмістом нікелю та рідким католітом: це основа моделі QSE-5, першого комерційного продукту компанії.
Електроліти на основі сульфіду залишаються одними з найбільш досліджуваних для твердотільних акумуляторів завдяки хорошій іонній провідності та відносній простоті обробки при низьких температурах. Як повідомляє компанія, виробники, які використовували їх як розділювачі, протягом понад десяти років стикаються з однаковими перешкодами: короткий термін служби під час циклів, необхідність високого тиску, слабкі характеристики при низьких температурах та повільне заряджання.
Як працює Osprey
Рішення, запропоноване QuantumScape, полягає у розділенні цих двох проблем: використовувати сульфід не як розділювач, а як твердий католіт у поєднанні з керамічним розділювачем QS. У цій конфігурації іони літію переміщуються через структуру сульфіду шляхом іонного стрибка. Цей механізм усуває явище поляризації, характерне для рідких електролітів, і саме це, за словами компанії, дозволяє заряджати акумулятори протягом п’яти хвилин.
QuantumScape Osprey: вища енергетична щільність завдяки значно товстішим катодам
Фото: QuantumScape
Ця сама властивість дозволяє використовувати катоди з набагато вищою ємністю: до 10 мА·год/см², що приблизно вдвічі більше, ніж звичайні літієві акумулятори з показником 3–5 мА·год/см². Катод з вищою ємністю вимагає меншої кількості шарів у клітці, а отже, меншої кількості перегородок та елементів збору струму. У результаті акумулятор стає в цілому щільнішим з точки зору енергетичних характеристик.
Оприлюднені результати стосуються двошарових одиночних кліток із ємністю катоду, яка має комерційне значення: 1 000 циклів при 80% збереженні ємності при кімнатній температурі, зарядка та розрядка зі швидкістю 1C/1C, а також доступна ємність при температурі до -20 °C. Компанія стверджує, що жодна інша тверда сульфідна клітка досі не демонструвала такої ж комбінації характеристик.
Переваги, обіцяні твердотільними акумуляторами QuantumScape Osprey
Фото: QuantumScape
Наступні кроки на шляху до виробництва
Osprey створений як відкрита платформа: клієнти можуть обрати власний сульфідний катод від QuantumScape або використати власну технологію катода, зберігаючи переваги керамічного розділювача та дизайну без аноду. Компанія співпрацює з автовиробниками для розробки проекту.
Галерея фото: Платформа для твердотільних акумуляторів QuantumScape Osprey
Проте перед масовим виробництвом залишається завершити деякі інженерні етапи. Опубліковані результати отримано з двошарових елементів такої ж площі, як у QSE-5. Клієнти автомобільної промисловості зазвичай вимагають більших призматичних елементів із більшою кількістю шарів та вищою ємністю.
Виробничий процес Osprey наразі було доведено лише в лабораторних умовах. Розробка процесів із вищою швидкістю все ще триває.
Про твердотільні акумулятори