Новата твърдотелна батерия на QuantumScape издържа 1000 цикъла, но най-важното ѝ постижение е друго
Американският разработчик на батерийни технологии QuantumScape представи платформата си за твърдотелни батерии Osprey. След 1000 пълни цикъла на зареждане и разреждане изпитателен елемент е запазил приблизително 80% от първоначалния си капацитет. По-важното е, че батерията е работила при външно налягане от едва една атмосфера. Това би могло да помогне за решаването на един от най-трудните проблеми при твърдотелните батерии: необходимостта от тежки и скъпи конструкции за поддържане на налягането.
Твърдотелна батерия без течен електролит
Osprey съчетава керамичния сепаратор на компанията, конструкция без предварително изграден анод и катод, съдържащ твърд електролит на сулфидна основа.
За разлика от по-ранната платформа QSE, новата конструкция не използва течен електролит в катода. Така Osprey е изцяло твърдотелен батериен елемент.
Конструкцията без предварително изграден анод означава, че при производството батерията няма отделен анод от метален литий. При първото зареждане метален литий се отлага върху повърхността на керамичния сепаратор и образува слоя, необходим за съхраняване на енергия.
Този подход позволява да се използват по-малко материали и да се увеличи енергийната плътност. Неравномерното отлагане на лития и поддържането на контакт между твърдите материали обаче остават предизвикателства.
Електролитите на сулфидна основа провеждат добре литиеви йони, но много от съществуващите конструкции изискват високо външно налягане. Това прави конструкцията на батерийния пакет по-тежка и по-сложна.
1000 цикъла без масивна конструкция за поддържане на налягането
QuantumScape е изпитала двуслоен батериен елемент с катод с размери 50 × 65 mm.
При 30 °C и външно налягане от една атмосфера елементът е преминал през 1000 пълни цикъла на зареждане и разреждане. Скоростта на зареждане и разреждане е била 1C, а капацитетът на катода на единица площ – 5,5 mAh/cm².
В края на изпитването елементът е запазил приблизително 80% от първоначалния си капацитет.
За сравнение, някои твърдотелни батерии с електролит на сулфидна основа изискват налягане от десетки атмосфери. При голям батериен пакет това би означавало значително допълнително тегло.
Резултатът на Osprey показва възможен начин за преодоляване на това ограничение.
Трябва обаче да се отчете размерът на изпитателния елемент. Капацитетът му е бил приблизително 0,3–0,4 Ah, докато по-ранният елемент QSE-5 на QuantumScape има капацитет от около 5 Ah.
Следователно компанията е показала, че технологията работи в малък лабораторен елемент, но все още не и в батерия за електромобил, подходяща за масово производство.
За зареждане за пет минути е била необходима температура от 80 °C
QuantumScape представи и други впечатляващи резултати.
Според производителя Osprey е успяла да повиши нивото на заряд на батерията от 10% до 80% за пет минути. Изпитването обаче е проведено при 80 °C – температура над нормалната работна температура на батерията на типичен електромобил.
Компанията е демонстрирала и работата на батерията при -20 °C. При това изпитване малък еднослоен елемент е запазил приблизително 68% от капацитета, измерен при стайна температура. Използван е сравнително нисък ток на разреждане.
QuantumScape прогнозира енергийна плътност до 1100 Wh/l за Osprey. Тази стойност обаче все още не е постигната в завършен елемент с голям формат.
За сравнение, изпитателният елемент QSE-5 на компанията има обемна енергийна плътност от приблизително 844 Wh/l.
Затова при оценката на резултатите на Osprey трябва да се разграничат три неща: измерената издръжливост, скоростта на зареждане, постигната при специални условия, и прогнозата за бъдещата енергийна плътност.
Партньорството с Volkswagen дава предимство на QuantumScape
Един от най-важните партньори на QuantumScape е PowerCo – компанията за батерии на Volkswagen Group.
Целта на партньорството е технологията за твърдотелни батерии на QuantumScape да достигне до мащабно производство. Компанията разработва и платформата QSE-5 и се подготвя да предоставя технологията си по лиценз на други производители на батерии.
Osprey открива и допълнителна бизнес възможност. Партньорите могат да използват керамичния сепаратор на QuantumScape със собствени катоди на сулфидна основа, без да се налага да преработват изцяло химичния състав на батерията.
Това би могло да отреди на QuantumScape по-голяма роля като доставчик на технологии, а не само като разработчик на батерийни елементи.
Конкуренцията обаче е силна. Toyota, Samsung SDI, BYD и редица други компании също разработват твърдотелни батерии. Основното им предизвикателство вече не е просто постигането на висока енергийна плътност, а осигуряването на стабилно и икономически жизнеспособно масово производство.
Готовността за производство е решаваща за електромобилите
Твърдотелна батерия, която изисква по-ниско налягане, би могла да донесе значителни предимства на европейската автомобилна индустрия.
Ако батерийният пакет не се нуждае от обемист механизъм за поддържане на налягането, теглото на конструкцията му може да се намали и да се освободи място за допълнителни елементи. Това потенциално би могло да подобри както пробега, така и енергийната плътност.
Само 1000 цикъла на зареждане обаче не са достатъчни. Автомобилните производители се нуждаят от доказателства за издръжливостта, безопасността, бързото зареждане и надеждността на елементите с голям формат при различни температури.
QuantumScape все още не е обявила кога ще започне масовото производство на Osprey.
Следователно най-голямото постижение на Osprey не е запазването на 80% от капацитета след 1000 цикъла, а постигането на този резултат при ниско външно налягане. Ако компанията успее да запази това свойство и при по-големи батерийни елементи, тя би могла да премахне значителна пречка пред навлизането на твърдотелните батерии в електромобилите.
Засега това е обещаващ лабораторен резултат, който все още ще изисква значителна развойна работа, за да се превърне в конкурентоспособен промишлен продукт.
