La nuova batteria allo stato solido di QuantumScape ha completato 1000 cicli di carica, ma il risultato più importante è un altro

Una batteria allo stato solido senza elettrolita liquido

Osprey combina il separatore ceramico dell’azienda, una configurazione priva di anodo e un catodo che incorpora un elettrolita solido a base di solfuri.

A differenza della precedente piattaforma QSE, il nuovo progetto non impiega un elettrolita liquido nel catodo. Osprey è quindi una cella interamente allo stato solido.

La configurazione priva di anodo significa che, al momento della produzione, la batteria non ha un anodo separato in litio metallico. Durante la prima carica, il litio metallico si deposita sulla superficie del separatore ceramico, formando lo strato necessario per immagazzinare energia.

Questo approccio consente di ridurre la quantità di materiali impiegati e di aumentare la densità energetica. Restano però da affrontare la deposizione non uniforme del litio e la difficoltà di mantenere il contatto tra i materiali solidi.

Gli elettroliti a base di solfuri conducono bene gli ioni di litio, ma molte soluzioni attuali richiedono un’elevata pressione esterna. Questo rende la struttura del pacco batteria più pesante e complessa.

1000 cicli senza una struttura consistente per mantenere la pressione

QuantumScape ha testato una cella a due strati con un catodo di 50 × 65 mm.

A 30 °C e con una pressione esterna di un’atmosfera, la cella ha completato 1000 cicli completi di carica e scarica. Il tasso di carica e scarica era pari a 1C e la capacità areale del catodo era di 5,5 mAh/cm².

Al termine del test, la cella conservava circa l’80% della capacità iniziale.

Per confronto, alcune batterie allo stato solido a base di solfuri richiedono pressioni di decine di atmosfere. In un grande pacco batteria, questo comporterebbe un notevole aumento di peso.

Il risultato di Osprey indica una possibile strada per superare questo limite.

Occorre però tenere conto delle dimensioni della cella di prova. La sua capacità era di circa 0,3–0,4 Ah, mentre la precedente cella QSE-5 di QuantumScape ha una capacità di circa 5 Ah.

L’azienda ha quindi dimostrato che la tecnologia funziona in una piccola cella da laboratorio, non ancora in una batteria per veicoli elettrici adatta alla produzione di massa.

Per ricaricare in cinque minuti è servita una temperatura di 80 °C

QuantumScape ha presentato anche altri risultati notevoli.

Secondo il produttore, Osprey è riuscita a portare lo stato di carica della batteria dal 10% all’80% in cinque minuti. Il test, però, si è svolto a 80 °C, una temperatura superiore a quella di normale funzionamento di una tipica batteria per veicoli elettrici.

L’azienda ha anche dimostrato il funzionamento della batteria a -20 °C. In questo test, una piccola cella a singolo strato ha mantenuto circa il 68% della capacità misurata a temperatura ambiente. La prova è stata effettuata con una corrente di scarica relativamente bassa.

QuantumScape prevede per Osprey una densità energetica fino a 1100 Wh/l. Questo valore, però, non è ancora stato raggiunto in una cella di grande formato completa.

Per confronto, la cella di prova QSE-5 dell’azienda ha una densità energetica volumetrica di circa 844 Wh/l.

Nel valutare i risultati di Osprey bisogna quindi distinguere tra tre aspetti: la durata misurata, la velocità di ricarica ottenuta in condizioni particolari e la stima della futura densità energetica.

La collaborazione con Volkswagen offre un vantaggio a QuantumScape

Tra i partner più importanti di QuantumScape c’è PowerCo, la società del Gruppo Volkswagen attiva nel settore delle batterie.

La collaborazione punta a portare la tecnologia delle batterie allo stato solido dell’azienda alla produzione su larga scala. QuantumScape sta inoltre sviluppando la piattaforma QSE-5 e si prepara a concedere in licenza la propria tecnologia ad altri produttori di batterie.

Osprey apre un’ulteriore opportunità commerciale. I partner possono utilizzare il separatore ceramico di QuantumScape con i propri catodi a base di solfuri senza dover riprogettare l’intera chimica della batteria.

Questo potrebbe dare a QuantumScape un ruolo più ampio come fornitore di tecnologia, anziché soltanto come sviluppatore di celle per batterie.

La concorrenza, però, è forte. Anche Toyota, Samsung SDI, BYD e diverse altre aziende stanno sviluppando batterie allo stato solido. La loro sfida principale non è più soltanto ottenere un’elevata densità energetica, ma garantire una produzione di massa stabile ed economicamente sostenibile.

Per i veicoli elettrici sarà decisiva la capacità di avviare la produzione

Una batteria allo stato solido che richieda una pressione inferiore potrebbe offrire vantaggi significativi all’industria automobilistica europea.

Se un pacco batteria non ha bisogno di un ingombrante meccanismo per mantenere la pressione, si può ridurre il peso della struttura e liberare spazio per altre celle. Questo potrebbe migliorare sia l’autonomia sia la densità energetica.

Tuttavia, 1000 cicli di carica e scarica da soli non bastano. Le case automobilistiche hanno bisogno di prove sulla durata, sulla sicurezza, sulle prestazioni di ricarica rapida e sull’affidabilità delle celle di grande formato a diverse temperature.

QuantumScape non ha ancora annunciato quando inizierà la produzione di massa di Osprey.

Il risultato più importante di Osprey, dunque, non è aver conservato l’80% della capacità dopo 1000 cicli, ma averlo fatto con una bassa pressione esterna. Se l’azienda riuscirà a mantenere la stessa caratteristica in celle più grandi, potrebbe eliminare un ostacolo significativo all’impiego delle batterie allo stato solido nei veicoli elettrici.

Per ora si tratta di un promettente risultato di laboratorio, che richiederà ancora un notevole lavoro di sviluppo per diventare un prodotto industriale competitivo.