QuantumScapen uusi kiinteäelektrolyyttinen akku kesti 1 000 lataussykliä – merkittävin saavutus liittyy kuitenkin paineeseen
Yhdysvaltalainen akkuteknologian kehittäjä QuantumScape on esitellyt kiinteäelektrolyyttisen Osprey-akkualustansa. Testikenno säilytti noin 80 prosenttia alkuperäisestä kapasiteetistaan 1 000 täyden lataus- ja purkaussyklin jälkeen. Vielä merkittävämpää on, että akku toimi vain yhden ilmakehän ulkoisessa paineessa. Tämä voisi auttaa ratkaisemaan yhden kiinteäelektrolyyttisten akkujen vaikeimmista ongelmista: raskaiden ja kalliiden painetta ylläpitävien rakenteiden tarpeen.
Kiinteäelektrolyyttinen akku ilman nestemäistä elektrolyyttiä
Ospreyssa yhdistyvät yhtiön keraaminen erotin, valmistusvaiheessa anoditon rakenne ja katodi, jossa on sulfidipohjaista kiinteää elektrolyyttiä.
Toisin kuin aiemmassa QSE-alustassa, uuden rakenteen katodissa ei käytetä nestemäistä elektrolyyttiä. Siksi Osprey on täysin kiinteäelektrolyyttinen akkukenno.
Anoditon rakenne tarkoittaa, ettei akussa ole valmistusvaiheessa erillistä litiummetallianodia. Ensimmäisen latauksen aikana metallinen litium kerrostuu keraamisen erottimen pinnalle ja muodostaa energian varastointiin tarvittavan kerroksen.
Tämä ratkaisu mahdollistaa materiaalien käytön vähentämisen ja energiatiheyden kasvattamisen. Haasteita ovat kuitenkin litiumin epätasainen kerrostuminen ja kiinteiden materiaalien välisen kosketuksen säilyttäminen.
Sulfidipohjaiset elektrolyytit johtavat litiumioneja hyvin, mutta monet nykyiset rakenteet vaativat korkean ulkoisen paineen. Se tekee akkupaketin rakenteesta painavamman ja monimutkaisemman.
1 000 sykliä ilman raskasta painetta ylläpitävää rakennetta
QuantumScape testasi kaksikerroksista akkukennoa, jonka katodin mitat olivat 50 × 65 mm.
Kenno läpäisi 1 000 täyttä lataus- ja purkaussykliä 30 °C:n lämpötilassa ja yhden ilmakehän ulkoisessa paineessa. Lataus- ja purkunopeus oli 1C, ja katodin pinta-alakapasiteetti oli 5,5 mAh/cm².
Testin lopussa kennossa oli jäljellä noin 80 prosenttia sen alkuperäisestä kapasiteetista.
Vertailun vuoksi osa sulfidipohjaisista kiinteäelektrolyyttisistä akuista vaatii kymmenien ilmakehien paineen. Suuressa akkupaketissa tämä merkitsisi huomattavaa lisäpainoa.
Ospreyn tulos viittaa siihen, että tämä rajoitus voidaan ehkä voittaa.
Testikennon koko on kuitenkin otettava huomioon. Sen kapasiteetti oli noin 0,3–0,4 Ah, kun taas QuantumScapen aiemman QSE-5-kennon kapasiteetti on noin 5 Ah.
Yhtiö on siis osoittanut teknologian toimivan pienessä laboratoriokennossa, mutta ei vielä sarjatuotantoon soveltuvassa sähköauton akussa.
Viiden minuutin lataus edellytti 80 °C:n lämpötilaa
QuantumScape esitteli myös muita vaikuttavia tuloksia.
Valmistajan mukaan Ospreyn varaustaso nousi 10 prosentista 80 prosenttiin viidessä minuutissa. Testi tehtiin kuitenkin 80 °C:n lämpötilassa, joka ylittää tyypillisen sähköauton akun normaalin käyttölämpötilan.
Yhtiö osoitti akun toimivan myös -20 °C:n lämpötilassa. Tässä testissä pieni yksikerroksinen kenno säilytti noin 68 prosenttia huoneenlämmössä mitatusta kapasiteetistaan. Testissä käytettiin suhteellisen pientä purkuvirtaa.
QuantumScape arvioi Ospreyn energiatiheyden voivan nousta jopa 1100 Wh/l:aan. Tätä lukemaa ei kuitenkaan ole vielä saavutettu valmiissa suurikokoisessa kennossa.
Vertailun vuoksi yhtiön QSE-5-testikennon tilavuusperusteinen energiatiheys on noin 844 Wh/l.
Ospreyn tuloksia arvioitaessa on siksi erotettava toisistaan kolme asiaa: mitattu kestävyys, erityisolosuhteissa saavutettu latausnopeus ja arvio tulevasta energiatiheydestä.
Volkswagen-yhteistyö tuo QuantumScapelle etua
Yksi QuantumScapen tärkeimmistä yhteistyökumppaneista on Volkswagen-konsernin akkuyhtiö PowerCo.
Yhteistyön tavoitteena on viedä yhtiön kiinteäelektrolyyttinen akkuteknologia laajamittaiseen tuotantoon. QuantumScape kehittää myös QSE-5-alustaa ja valmistautuu lisensoimaan teknologiaansa muille akkuvalmistajille.
Osprey avaa lisäksi uuden liiketoimintamahdollisuuden. Kumppanit voivat käyttää QuantumScapen keraamista erotinta omien sulfidipohjaisten katodiensa kanssa ilman, että koko akun kemiaa tarvitsee suunnitella uudelleen.
Tämä voisi vahvistaa QuantumScapen asemaa teknologian toimittajana eikä vain akkukennojen kehittäjänä.
Kilpailu on kuitenkin kovaa. Myös Toyota, Samsung SDI, BYD ja useat muut yhtiöt kehittävät kiinteäelektrolyyttisiä akkuja. Niiden suurin haaste ei enää ole pelkästään suuren energiatiheyden saavuttaminen, vaan myös vakaan ja taloudellisesti kannattavan sarjatuotannon varmistaminen.
Tuotantovalmius ratkaisee sähköautoissa
Vähemmän painetta vaativa kiinteäelektrolyyttinen akku voisi tarjota merkittäviä etuja Euroopan autoteollisuudelle.
Jos akkupaketti ei tarvitse kookasta painemekanismia, sen rakenteellista painoa voidaan vähentää ja lisäkennoille vapauttaa tilaa. Tämä voisi mahdollisesti parantaa sekä toimintamatkaa että energiatiheyttä.
Pelkät 1 000 lataussykliä eivät kuitenkaan riitä. Autonvalmistajat tarvitsevat näyttöä suurikokoisten kennojen kestävyydestä, turvallisuudesta, pikalatausominaisuuksista ja luotettavuudesta eri lämpötiloissa.
QuantumScape ei ole vielä ilmoittanut, milloin Ospreyn sarjatuotanto alkaa.
Ospreyn merkittävin saavutus ei siis ole 80 prosentin kapasiteetin säilyminen 1 000 syklin jälkeen, vaan tämän tuloksen saavuttaminen pienessä ulkoisessa paineessa. Jos yhtiö pystyy säilyttämään saman ominaisuuden suuremmissa akkukennoissa, se voisi poistaa merkittävän esteen kiinteäelektrolyyttisten akkujen sähköautoihin tuomisen tieltä.
Toistaiseksi kyseessä on lupaava laboratoriotulos, joka vaatii vielä huomattavaa kehitystyötä ennen kuin siitä voi tulla kilpailukykyinen teollinen tuote.
