Nieuwe solidstateaccu van QuantumScape doorstaat 1000 laadcycli, maar de belangrijkste prestatie ligt elders
De Amerikaanse accutechnologieontwikkelaar QuantumScape heeft zijn Osprey-platform voor solidstateaccu’s gepresenteerd. Een testcel behield na 1000 volledige laad- en ontlaadcycli ongeveer 80% van zijn oorspronkelijke capaciteit. Belangrijker is dat de cel werkte bij een uitwendige druk van slechts één atmosfeer. Dat kan helpen bij het oplossen van een van de lastigste problemen met solidstateaccu’s: de noodzaak van zware en kostbare constructies om de druk op peil te houden.
Een solidstateaccu zonder vloeibare elektrolyt
Osprey combineert de keramische separator van het bedrijf met een anodevrij ontwerp en een kathode met een vaste elektrolyt op sulfidebasis.
Anders dan het eerdere QSE-platform gebruikt het nieuwe ontwerp geen vloeibare elektrolyt in de kathode. Daarmee is Osprey een accucel die volledig uit vaste materialen bestaat.
Het anodevrije ontwerp betekent dat de accu bij de productie geen afzonderlijke anode van lithiummetaal heeft. Tijdens de eerste laadbeurt slaat metallisch lithium neer op het oppervlak van de keramische separator. Zo ontstaat de laag die nodig is om energie op te slaan.
Deze aanpak maakt het mogelijk minder materiaal te gebruiken en de energiedichtheid te verhogen. Ongelijkmatige lithiumafzetting en het behoud van contact tussen vaste materialen blijven echter uitdagingen.
Elektrolyten op sulfidebasis geleiden lithiumionen goed, maar veel bestaande ontwerpen vereisen een hoge uitwendige druk. Daardoor wordt de constructie van het accupakket zwaarder en ingewikkelder.
1000 cycli zonder omvangrijke constructie om de druk op peil te houden
QuantumScape testte een accucel met twee lagen en een kathode van 50 × 65 mm.
Bij 30 °C en een uitwendige druk van één atmosfeer doorliep de cel 1000 volledige laad- en ontlaadcycli. De laad- en ontlaadsnelheid was 1C en de oppervlaktecapaciteit van de kathode bedroeg 5,5 mAh/cm².
Aan het einde van de test had de cel nog ongeveer 80% van zijn oorspronkelijke capaciteit.
Ter vergelijking: sommige solidstateaccu’s op sulfidebasis vereisen een druk van tientallen atmosferen. In een groot accupakket zou dat aanzienlijk extra gewicht betekenen.
Het resultaat van Osprey wijst op een manier om deze beperking te overwinnen.
Wel moet rekening worden gehouden met de grootte van de testcel. De capaciteit bedroeg ongeveer 0,3–0,4 Ah, terwijl de eerdere QSE-5-cel van QuantumScape een capaciteit van circa 5 Ah heeft.
Het bedrijf heeft daarmee aangetoond dat de technologie werkt in een kleine laboratoriumcel, maar nog niet in een voor massaproductie geschikte accu voor elektrische auto’s.
Voor laden in vijf minuten was een temperatuur van 80 °C nodig
QuantumScape presenteerde ook andere indrukwekkende resultaten.
Volgens de fabrikant kon Osprey de laadtoestand van de accu in vijf minuten van 10% naar 80% brengen. De test vond echter plaats bij 80 °C, boven de normale bedrijfstemperatuur van een doorsnee accu voor elektrische auto’s.
Het bedrijf liet ook zien dat de accu bij -20 °C werkte. In deze test behield een kleine cel met één laag ongeveer 68% van de capaciteit die bij kamertemperatuur was gemeten. Voor de test werd een relatief lage ontlaadstroom gebruikt.
QuantumScape verwacht voor Osprey een energiedichtheid tot 1100 Wh/l. Die waarde is echter nog niet bereikt in een voltooide grootformaatcel.
Ter vergelijking: de QSE-5-testcel van het bedrijf heeft een volumetrische energiedichtheid van ongeveer 844 Wh/l.
Bij de beoordeling van de Osprey-resultaten moet daarom onderscheid worden gemaakt tussen drie zaken: gemeten duurzaamheid, laadsnelheid onder bijzondere omstandigheden en een prognose van de toekomstige energiedichtheid.
Samenwerking met Volkswagen geeft QuantumScape een voordeel
Een van de belangrijkste partners van QuantumScape is PowerCo, het accubedrijf van de Volkswagen-groep.
De samenwerking is erop gericht de solidstateaccutechnologie van het bedrijf naar grootschalige productie te brengen. QuantumScape ontwikkelt daarnaast het QSE-5-platform en bereidt zich voor om zijn technologie in licentie te geven aan andere accufabrikanten.
Osprey biedt nog een zakelijke mogelijkheid. Partners kunnen de keramische separator van QuantumScape combineren met hun eigen kathodes op sulfidebasis, zonder de volledige accuchemie opnieuw te hoeven ontwerpen.
Daardoor zou QuantumScape een grotere rol als technologieleverancier kunnen krijgen, in plaats van zich uitsluitend op de ontwikkeling van accucellen te richten.
De concurrentie is echter sterk. Ook Toyota, Samsung SDI, BYD en diverse andere bedrijven ontwikkelen solidstateaccu’s. Hun voornaamste uitdaging is niet langer alleen het bereiken van een hoge energiedichtheid, maar ook het waarborgen van stabiele, economisch haalbare massaproductie.
Productierijpheid is doorslaggevend voor elektrische auto’s
Een solidstateaccu die minder druk vereist, zou de Europese auto-industrie aanzienlijke voordelen kunnen bieden.
Als een accupakket geen omvangrijk mechanisme nodig heeft om de druk op peil te houden, kan het constructiegewicht omlaag en komt er ruimte vrij voor extra cellen. Dat zou zowel de actieradius als de energiedichtheid kunnen verbeteren.
Maar 1000 laadcycli alleen zijn niet genoeg. Autofabrikanten hebben bewijs nodig voor de duurzaamheid, veiligheid, snellaadprestaties en betrouwbaarheid van grootformaatcellen bij verschillende temperaturen.
QuantumScape heeft nog niet bekendgemaakt wanneer de massaproductie van Osprey begint.
De grootste prestatie van Osprey is dan ook niet dat de cel na 1000 cycli nog 80% van zijn capaciteit heeft, maar dat dit resultaat bij een lage uitwendige druk is behaald. Als het bedrijf diezelfde eigenschap in grotere accucellen kan behouden, zou het een belangrijk obstakel voor de toepassing van solidstateaccu’s in elektrische auto’s kunnen wegnemen.
Voorlopig is dit een veelbelovend laboratoriumresultaat dat nog aanzienlijk ontwikkelwerk vergt voordat het een concurrerend industrieel product wordt.
