Nowy akumulator półprzewodnikowy QuantumScape wytrzymał 1000 cykli ładowania, ale jego największy sukces dotyczy czegoś innego
Amerykańska firma rozwijająca technologie akumulatorowe QuantumScape zaprezentowała platformę akumulatorów półprzewodnikowych Osprey. Testowe ogniwo zachowało około 80% pierwotnej pojemności po 1000 pełnych cykli ładowania i rozładowania. Ważniejsze jednak, że pracowało przy ciśnieniu zewnętrznym wynoszącym zaledwie jedną atmosferę. Może to pomóc rozwiązać jeden z najtrudniejszych problemów akumulatorów półprzewodnikowych: konieczność stosowania ciężkich i kosztownych konstrukcji utrzymujących odpowiedni nacisk.
Akumulator półprzewodnikowy bez ciekłego elektrolitu
Osprey łączy opracowany przez firmę separator ceramiczny, konstrukcję bezanodową oraz katodę zawierającą elektrolit stały na bazie siarczków.
W przeciwieństwie do wcześniejszej platformy QSE nowa konstrukcja nie wykorzystuje ciekłego elektrolitu w katodzie. Dzięki temu Osprey jest ogniwem zbudowanym wyłącznie z materiałów stałych.
Konstrukcja bezanodowa oznacza, że na etapie produkcji akumulator nie ma oddzielnej anody z metalicznego litu. Podczas pierwszego ładowania metaliczny lit osadza się na powierzchni separatora ceramicznego, tworząc warstwę potrzebną do magazynowania energii.
Takie podejście pozwala ograniczyć zużycie materiałów i zwiększyć gęstość energii. Wyzwaniami pozostają jednak nierównomierne osadzanie się litu oraz utrzymanie kontaktu między materiałami stałymi.
Elektrolity na bazie siarczków dobrze przewodzą jony litu, ale wiele istniejących konstrukcji wymaga wysokiego nacisku zewnętrznego. To zwiększa masę i komplikuje budowę pakietu akumulatorowego.
1000 cykli bez rozbudowanej konstrukcji utrzymującej nacisk
QuantumScape przetestowało dwuwarstwowe ogniwo z katodą o wymiarach 50 × 65 mm.
W temperaturze 30 °C i przy ciśnieniu zewnętrznym wynoszącym jedną atmosferę ogniwo przeszło 1000 pełnych cykli ładowania i rozładowania. Szybkość ładowania i rozładowania wynosiła 1C, a pojemność powierzchniowa katody wynosiła 5,5 mAh/cm².
Pod koniec testu ogniwo zachowało około 80% pierwotnej pojemności.
Dla porównania niektóre akumulatory półprzewodnikowe z elektrolitem na bazie siarczków wymagają ciśnienia rzędu kilkudziesięciu atmosfer. W dużym pakiecie akumulatorowym oznaczałoby to znaczący wzrost masy.
Wynik Osprey wskazuje sposób na przezwyciężenie tego ograniczenia.
Trzeba jednak uwzględnić rozmiar testowanego ogniwa. Jego pojemność wynosiła około 0,3–0,4 Ah, podczas gdy pojemność wcześniejszego ogniwa QuantumScape QSE-5 to około 5 Ah.
Firma wykazała zatem, że technologia działa w małym ogniwie laboratoryjnym, ale nie udowodniła jeszcze jej działania w akumulatorze do samochodu elektrycznego nadającym się do produkcji masowej.
Ładowanie w pięć minut wymagało temperatury 80 °C
QuantumScape przedstawiło również inne imponujące wyniki.
Według producenta Osprey pozwolił zwiększyć poziom naładowania akumulatora z 10% do 80% w pięć minut. Test przeprowadzono jednak w temperaturze 80 °C, wyższej niż typowa temperatura pracy akumulatora samochodu elektrycznego.
Firma zademonstrowała też działanie akumulatora w temperaturze -20 °C. W tym teście małe, jednowarstwowe ogniwo zachowało około 68% pojemności zmierzonej w temperaturze pokojowej. Zastosowano przy tym stosunkowo niski prąd rozładowania.
QuantumScape prognozuje dla Osprey gęstość energii sięgającą 1100 Wh/l. Wartości tej nie osiągnięto jednak jeszcze w gotowym ogniwie wielkoformatowym.
Dla porównania objętościowa gęstość energii testowego ogniwa QSE-5 firmy wynosi około 844 Wh/l.
Ocena wyników Osprey wymaga więc rozróżnienia trzech kwestii: zmierzonej trwałości, szybkości ładowania osiągniętej w szczególnych warunkach oraz prognozy przyszłej gęstości energii.
Partnerstwo z Volkswagenem daje QuantumScape przewagę
Jednym z najważniejszych partnerów QuantumScape jest PowerCo, spółka akumulatorowa Grupy Volkswagen.
Celem współpracy jest wprowadzenie technologii akumulatorów półprzewodnikowych firmy do produkcji na dużą skalę. QuantumScape rozwija też platformę QSE-5 i przygotowuje się do udzielania licencji na swoją technologię innym producentom akumulatorów.
Osprey otwiera dodatkową możliwość biznesową. Partnerzy mogą wykorzystywać separator ceramiczny QuantumScape we własnych katodach na bazie siarczków bez konieczności przeprojektowania całego składu chemicznego akumulatora.
Może to zwiększyć rolę QuantumScape jako dostawcy technologii, a nie tylko firmy opracowującej ogniwa akumulatorowe.
Konkurencja jest jednak silna. Toyota, Samsung SDI, BYD i kilka innych firm również rozwijają akumulatory półprzewodnikowe. Ich głównym wyzwaniem nie jest już samo osiągnięcie wysokiej gęstości energii, lecz zapewnienie stabilnej i ekonomicznie opłacalnej produkcji masowej.
Gotowość do produkcji ma kluczowe znaczenie dla samochodów elektrycznych
Akumulator półprzewodnikowy wymagający mniejszego nacisku mógłby przynieść znaczące korzyści europejskiemu przemysłowi motoryzacyjnemu.
Jeśli pakiet akumulatorowy nie potrzebuje rozbudowanego mechanizmu wywierającego nacisk, można zmniejszyć masę jego konstrukcji i wygospodarować miejsce na dodatkowe ogniwa. Mogłoby to potencjalnie zwiększyć zarówno zasięg, jak i gęstość energii.
Jednak same 1000 cykli ładowania nie wystarczy. Producenci samochodów potrzebują dowodów na trwałość, bezpieczeństwo, możliwości szybkiego ładowania i niezawodność ogniw wielkoformatowych w różnych temperaturach.
QuantumScape nie ogłosiło jeszcze, kiedy rozpocznie się masowa produkcja Osprey.
Największym osiągnięciem Osprey nie jest zatem zachowanie 80% pojemności po 1000 cykli, lecz uzyskanie tego wyniku przy niskim ciśnieniu zewnętrznym. Jeśli firmie uda się utrzymać tę właściwość w większych ogniwach, może to usunąć istotną przeszkodę we wprowadzaniu akumulatorów półprzewodnikowych do samochodów elektrycznych.
Na razie jest to obiecujący wynik laboratoryjny. Aby technologia stała się konkurencyjnym produktem przemysłowym, potrzebne będą jeszcze znaczące prace rozwojowe.
