QuantumScapes nye faststofbatteri klarede 1.000 ladecyklusser – men den største bedrift ligger et andet sted

Et faststofbatteri uden flydende elektrolyt

Osprey kombinerer virksomhedens keramiske separator, et design uden anode og en katode med en sulfidbaseret faststofelektrolyt.

I modsætning til den tidligere QSE-platform bruger det nye design ikke flydende elektrolyt i katoden. Det gør Osprey til en battericelle, der udelukkende anvender faste stoffer.

Designet uden anode betyder, at batteriet ikke har en særskilt anode af lithiummetal, når det fremstilles. Ved den første opladning aflejres metallisk litium på den keramiske separators overflade og danner det lag, der skal lagre energi.

Denne tilgang gør det muligt at bruge mindre materiale og øge energitætheden. Ujævn aflejring af litium og opretholdelse af kontakten mellem de faste materialer er dog fortsat udfordringer.

Sulfidbaserede elektrolytter leder litiumioner godt, men mange eksisterende design kræver et højt udvendigt tryk. Det gør batteripakkens konstruktion tungere og mere kompleks.

1.000 cyklusser uden en omfattende konstruktion til at opretholde trykket

QuantumScape testede en battericelle med to lag og en katode, der målte 50 × 65 mm.

Ved 30 °C og et udvendigt tryk på én atmosfære gennemførte cellen 1.000 fulde opladnings- og afladningscyklusser. Opladnings- og afladningsraten var 1C, og katodens arealkapacitet var 5,5 mAh/cm².

Ved testens afslutning havde cellen bevaret omkring 80 % af sin oprindelige kapacitet.

Til sammenligning kræver nogle sulfidbaserede faststofbatterier et tryk på adskillige titals atmosfærer. I en stor batteripakke ville det betyde en betydelig ekstra vægt.

Ospreys resultat peger på en måde at overvinde denne begrænsning på.

Der skal dog tages højde for testcellens størrelse. Dens kapacitet var omkring 0,3–0,4 Ah, mens QuantumScapes tidligere QSE-5-celle har en kapacitet på cirka 5 Ah.

Virksomheden har dermed vist, at teknologien fungerer i en lille laboratoriecelle, men endnu ikke i et elbilbatteri, der egner sig til masseproduktion.

Opladning på fem minutter krævede 80 °C

QuantumScape præsenterede også andre bemærkelsesværdige resultater.

Ifølge producenten kunne Osprey øge batteriets ladetilstand fra 10 % til 80 % på fem minutter. Testen fandt dog sted ved 80 °C, hvilket er over den normale driftstemperatur for et typisk elbilbatteri.

Virksomheden demonstrerede også, at batteriet fungerede ved -20 °C. I denne test bevarede en lille celle med ét lag omkring 68 % af den kapacitet, der blev målt ved stuetemperatur. Testen blev udført med en forholdsvis lav afladningsstrøm.

QuantumScape forventer, at Osprey kan nå en energitæthed på op til 1.100 Wh/l. Dette tal er dog endnu ikke opnået i en færdig celle i stort format.

Til sammenligning har virksomhedens QSE-5-testcelle en volumetrisk energitæthed på omkring 844 Wh/l.

Når Ospreys resultater skal vurderes, er det derfor nødvendigt at skelne mellem tre ting: målt holdbarhed, ladehastighed opnået under særlige forhold og en fremskrivning af den fremtidige energitæthed.

Samarbejdet med Volkswagen giver QuantumScape en fordel

En af QuantumScapes vigtigste partnere er PowerCo, Volkswagen-koncernens batteriselskab.

Samarbejdet har til formål at bringe virksomhedens faststofbatteriteknologi i storskalaproduktion. QuantumScape udvikler også QSE-5-platformen og forbereder sig på at licensere sin teknologi til andre batteriproducenter.

Osprey åbner for endnu en forretningsmulighed. Partnere kan bruge QuantumScapes keramiske separator sammen med deres egne sulfidbaserede katoder uden at skulle ændre hele batterikemien.

Det kan give QuantumScape en større rolle som teknologileverandør frem for udelukkende som udvikler af battericeller.

Konkurrencen er dog hård. Toyota, Samsung SDI, BYD og flere andre virksomheder udvikler også faststofbatterier. Deres største udfordring er ikke længere blot at opnå høj energitæthed, men at sikre stabil og økonomisk bæredygtig masseproduktion.

Produktionsparathed er afgørende for elbiler

Et faststofbatteri, der kræver mindre tryk, kan give betydelige fordele for den europæiske bilindustri.

Hvis en batteripakke ikke har brug for en omfattende trykmekanisme, kan konstruktionens vægt reduceres, og der kan frigøres plads til flere celler. Det vil potentielt kunne forbedre både rækkevidden og energitætheden.

1.000 ladecyklusser er dog ikke nok i sig selv. Bilproducenterne har brug for dokumentation for holdbarheden, sikkerheden, hurtigopladningsegenskaberne og driftssikkerheden ved forskellige temperaturer for celler i stort format.

QuantumScape har endnu ikke oplyst, hvornår masseproduktionen af Osprey begynder.

Ospreys største bedrift er derfor ikke, at batteriet bevarede 80 % af sin kapacitet efter 1.000 cyklusser, men at det opnåede resultatet under et lavt udvendigt tryk. Hvis virksomheden kan bevare denne egenskab i større battericeller, kan det fjerne en væsentlig hindring for at få faststofbatterier ind i elbiler.

Foreløbig er det et lovende laboratorieresultat, som stadig kræver et betydeligt udviklingsarbejde, før teknologien kan blive et konkurrencedygtigt industriprodukt.