Η νέα μπαταρία στερεού ηλεκτρολύτη της QuantumScape άντεξε 1.000 κύκλους φόρτισης, αλλά το σημαντικότερο επίτευγμά της βρίσκεται αλλού

Μπαταρία στερεού ηλεκτρολύτη χωρίς υγρό ηλεκτρολύτη

Η Osprey συνδυάζει τον κεραμικό διαχωριστή της εταιρείας, σχεδίαση χωρίς άνοδο κατά την κατασκευή και κάθοδο που περιέχει στερεό ηλεκτρολύτη με βάση τα σουλφίδια.

Σε αντίθεση με την προγενέστερη πλατφόρμα QSE, η νέα σχεδίαση δεν χρησιμοποιεί υγρό ηλεκτρολύτη στην κάθοδο. Έτσι, η Osprey είναι ένα στοιχείο μπαταρίας εξ ολοκλήρου στερεού ηλεκτρολύτη.

Η σχεδίαση χωρίς άνοδο σημαίνει ότι, κατά την κατασκευή της μπαταρίας, δεν υπάρχει ξεχωριστή άνοδος από μεταλλικό λίθιο. Κατά την πρώτη φόρτιση, μεταλλικό λίθιο εναποτίθεται στην επιφάνεια του κεραμικού διαχωριστή, σχηματίζοντας το στρώμα που χρειάζεται για την αποθήκευση ενέργειας.

Αυτή η προσέγγιση επιτρέπει τη μείωση της χρήσης υλικών και την αύξηση της ενεργειακής πυκνότητας. Ωστόσο, η ανομοιόμορφη εναπόθεση λιθίου και η διατήρηση της επαφής μεταξύ στερεών υλικών παραμένουν προκλήσεις.

Οι ηλεκτρολύτες με βάση τα σουλφίδια άγουν καλά τα ιόντα λιθίου, αλλά πολλές από τις υπάρχουσες σχεδιάσεις απαιτούν υψηλή εξωτερική πίεση. Αυτό κάνει τη δομή της συστοιχίας μπαταριών βαρύτερη και πιο περίπλοκη.

1.000 κύκλοι χωρίς ογκώδη διάταξη διατήρησης της πίεσης

Η QuantumScape δοκίμασε ένα στοιχείο μπαταρίας με δύο στρώσεις και κάθοδο διαστάσεων 50 × 65 mm.

Στους 30 °C και υπό εξωτερική πίεση μίας ατμόσφαιρας, το στοιχείο ολοκλήρωσε 1.000 πλήρεις κύκλους φόρτισης και εκφόρτισης. Ο ρυθμός φόρτισης και εκφόρτισης ήταν 1C και η χωρητικότητα της καθόδου ανά μονάδα επιφάνειας ήταν 5,5 mAh/cm².

Στο τέλος της δοκιμής, το στοιχείο διατηρούσε περίπου το 80% της αρχικής του χωρητικότητας.

Συγκριτικά, ορισμένες μπαταρίες στερεού ηλεκτρολύτη με βάση τα σουλφίδια απαιτούν πιέσεις δεκάδων ατμοσφαιρών. Σε μια μεγάλη συστοιχία μπαταριών, αυτό θα σήμαινε σημαντικό πρόσθετο βάρος.

Το αποτέλεσμα της Osprey δείχνει έναν τρόπο υπέρβασης αυτού του περιορισμού.

Ωστόσο, πρέπει να ληφθεί υπόψη το μέγεθος του στοιχείου της δοκιμής. Η χωρητικότητά του ήταν περίπου 0,3–0,4 Ah, ενώ το προγενέστερο στοιχείο QSE-5 της QuantumScape έχει χωρητικότητα περίπου 5 Ah.

Επομένως, η εταιρεία έχει αποδείξει ότι η τεχνολογία λειτουργεί σε ένα μικρό εργαστηριακό στοιχείο, όχι ακόμη σε μπαταρία ηλεκτρικού αυτοκινήτου κατάλληλη για μαζική παραγωγή.

Η φόρτιση σε πέντε λεπτά απαιτούσε θερμοκρασία 80 °C

Η QuantumScape παρουσίασε επίσης άλλα εντυπωσιακά αποτελέσματα.

Σύμφωνα με την κατασκευάστρια εταιρεία, η Osprey μπόρεσε να αυξήσει το επίπεδο φόρτισης της μπαταρίας από το 10% στο 80% σε πέντε λεπτά. Ωστόσο, η δοκιμή πραγματοποιήθηκε στους 80 °C, πάνω από τη συνήθη θερμοκρασία λειτουργίας μιας τυπικής μπαταρίας ηλεκτρικού αυτοκινήτου.

Η εταιρεία επέδειξε επίσης τη λειτουργία της μπαταρίας στους -20 °C. Σε αυτή τη δοκιμή, ένα μικρό στοιχείο μίας στρώσης διατήρησε περίπου το 68% της χωρητικότητας που μετρήθηκε σε θερμοκρασία δωματίου. Η δοκιμή έγινε με σχετικά χαμηλό ρεύμα εκφόρτισης.

Η QuantumScape προβλέπει ενεργειακή πυκνότητα έως 1.100 Wh/l για την Osprey. Ωστόσο, η τιμή αυτή δεν έχει ακόμη επιτευχθεί σε ολοκληρωμένο στοιχείο μεγάλου μεγέθους.

Συγκριτικά, το στοιχείο δοκιμών QSE-5 της εταιρείας έχει ογκομετρική ενεργειακή πυκνότητα περίπου 844 Wh/l.

Για να αξιολογηθούν τα αποτελέσματα της Osprey, πρέπει επομένως να διακριθούν τρία πράγματα: η αντοχή που μετρήθηκε, η ταχύτητα φόρτισης που επιτεύχθηκε υπό ειδικές συνθήκες και η προβλεπόμενη μελλοντική ενεργειακή πυκνότητα.

Η συνεργασία με τη Volkswagen δίνει πλεονέκτημα στην QuantumScape

Ένας από τους σημαντικότερους εταίρους της QuantumScape είναι η PowerCo, η εταιρεία μπαταριών του Ομίλου Volkswagen.

Η συνεργασία αποσκοπεί στο να οδηγήσει την τεχνολογία μπαταριών στερεού ηλεκτρολύτη της QuantumScape σε παραγωγή μεγάλης κλίμακας. Η QuantumScape αναπτύσσει επίσης την πλατφόρμα QSE-5 και προετοιμάζεται να παραχωρήσει άδειες χρήσης της τεχνολογίας της σε άλλους κατασκευαστές μπαταριών.

Η Osprey ανοίγει μια επιπλέον επιχειρηματική προοπτική. Οι εταίροι μπορούν να χρησιμοποιήσουν τον κεραμικό διαχωριστή της QuantumScape με δικές τους καθόδους που βασίζονται σε σουλφίδια, χωρίς να χρειάζεται να επανασχεδιάσουν ολόκληρη τη χημική σύνθεση της μπαταρίας.

Αυτό θα μπορούσε να δώσει στην QuantumScape μεγαλύτερο ρόλο ως προμηθεύτρια τεχνολογίας και όχι αποκλειστικά ως εταιρεία ανάπτυξης στοιχείων μπαταρίας.

Ο ανταγωνισμός, ωστόσο, είναι έντονος. Η Toyota, η Samsung SDI, η BYD και αρκετές άλλες εταιρείες αναπτύσσουν επίσης μπαταρίες στερεού ηλεκτρολύτη. Η κύρια πρόκλησή τους δεν είναι πλέον απλώς η επίτευξη υψηλής ενεργειακής πυκνότητας, αλλά η διασφάλιση σταθερής και οικονομικά βιώσιμης μαζικής παραγωγής.

Η ετοιμότητα για παραγωγή είναι καθοριστική για τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα

Μια μπαταρία στερεού ηλεκτρολύτη που απαιτεί χαμηλότερη πίεση θα μπορούσε να προσφέρει σημαντικά πλεονεκτήματα στην ευρωπαϊκή αυτοκινητοβιομηχανία.

Αν μια συστοιχία μπαταριών δεν χρειάζεται ογκώδη μηχανισμό διατήρησης της πίεσης, μπορεί να μειωθεί το βάρος της δομής της και να ελευθερωθεί χώρος για πρόσθετα στοιχεία. Αυτό θα μπορούσε δυνητικά να βελτιώσει τόσο την αυτονομία όσο και την ενεργειακή πυκνότητα.

Ωστόσο, οι 1.000 κύκλοι φόρτισης από μόνοι τους δεν αρκούν. Οι αυτοκινητοβιομηχανίες χρειάζονται στοιχεία για την αντοχή, την ασφάλεια, την απόδοση στην ταχεία φόρτιση και την αξιοπιστία των στοιχείων μεγάλου μεγέθους σε διαφορετικές θερμοκρασίες.

Η QuantumScape δεν έχει ακόμη ανακοινώσει πότε θα αρχίσει η μαζική παραγωγή της Osprey.

Επομένως, το σημαντικότερο επίτευγμα της Osprey δεν είναι ότι διατήρησε το 80% της χωρητικότητάς της έπειτα από 1.000 κύκλους, αλλά ότι πέτυχε αυτό το αποτέλεσμα με χαμηλή εξωτερική πίεση. Αν η εταιρεία καταφέρει να διατηρήσει το ίδιο χαρακτηριστικό σε μεγαλύτερα στοιχεία μπαταρίας, θα μπορούσε να εξαλείψει ένα σημαντικό εμπόδιο για τη χρήση μπαταριών στερεού ηλεκτρολύτη στα ηλεκτρικά αυτοκίνητα.

Προς το παρόν, πρόκειται για ένα πολλά υποσχόμενο εργαστηριακό αποτέλεσμα που θα απαιτήσει ακόμη σημαντική δουλειά ανάπτυξης για να εξελιχθεί σε ανταγωνιστικό βιομηχανικό προϊόν.