Новая твердотельная батарея QuantumScape выдержала 1000 циклов, но главное достижение — в другом

Твердотельная батарея без жидкого электролита

В Osprey объединены керамический сепаратор компании, конструкция без предварительно сформированного анода и катод с твёрдым электролитом на основе сульфидов.

В отличие от прежней платформы QSE, в новой конструкции в катоде не используется жидкий электролит. Таким образом, Osprey представляет собой полностью твердотельный аккумуляторный элемент.

Отсутствие предварительно сформированного анода означает, что при изготовлении элемента в нём нет отдельного анода из металлического лития. При первой зарядке металлический литий осаждается на поверхности керамического сепаратора, образуя слой, необходимый для хранения энергии.

Такой подход позволяет сократить расход материалов и повысить плотность энергии. Однако неравномерное осаждение лития и обеспечение контакта между твёрдыми материалами остаются сложными задачами.

Электролиты на основе сульфидов хорошо проводят ионы лития, но многие существующие конструкции требуют высокого внешнего давления. Из-за этого аккумуляторный блок становится тяжелее, а его конструкция — сложнее.

1000 циклов без массивной конструкции для поддержания давления

QuantumScape испытала двухслойный аккумуляторный элемент с катодом размером 50 × 65 мм.

При температуре 30 °C и внешнем давлении в одну атмосферу элемент прошёл 1000 полных циклов заряда и разряда. Ток заряда и разряда соответствовал режиму 1C, а удельная ёмкость катода на единицу площади составляла 5,5 мА·ч/см².

К концу испытания элемент сохранил около 80% первоначальной ёмкости.

Для сравнения: некоторым твердотельным батареям с электролитом на основе сульфидов требуется давление в десятки атмосфер. В крупном аккумуляторном блоке это означало бы значительное увеличение массы.

Результат Osprey указывает на возможный путь преодоления этого ограничения.

Однако необходимо учитывать размер испытательного элемента. Его ёмкость составляла приблизительно 0,3–0,4 А·ч, тогда как ёмкость более раннего элемента QuantumScape QSE-5 — около 5 А·ч.

Таким образом, компания продемонстрировала работоспособность технологии в небольшом лабораторном элементе, но пока не в аккумуляторе для электромобиля, пригодном для массового производства.

Для пятиминутной зарядки потребовалась температура 80 °C

QuantumScape представила и другие впечатляющие результаты.

По данным производителя, Osprey смогла повысить уровень заряда с 10% до 80% за пять минут. Однако испытание проходило при температуре 80 °C — выше обычной рабочей температуры типичного аккумулятора электромобиля.

Компания также продемонстрировала работу аккумулятора при −20 °C. В этом испытании небольшой однослойный элемент сохранил около 68% ёмкости, измеренной при комнатной температуре. При этом использовался сравнительно небольшой ток разряда.

По прогнозу QuantumScape, плотность энергии Osprey может достигать 1100 Вт·ч/л. Однако этот показатель пока не достигнут в готовом крупноформатном элементе.

Для сравнения: объёмная плотность энергии испытательного элемента компании QSE-5 составляет приблизительно 844 Вт·ч/л.

Поэтому при оценке результатов Osprey важно различать три вещи: измеренный ресурс, скорость зарядки, достигнутую в особых условиях, и прогноз будущей плотности энергии.

Партнёрство с Volkswagen даёт QuantumScape преимущество

Один из важнейших партнёров QuantumScape — PowerCo, аккумуляторная компания концерна Volkswagen.

Цель партнёрства — наладить крупномасштабное производство твердотельных батарей по технологии компании. QuantumScape также развивает платформу QSE-5 и готовится предоставлять лицензии на свою технологию другим производителям аккумуляторов.

Osprey открывает дополнительные коммерческие возможности. Партнёры могут использовать керамический сепаратор QuantumScape с собственными катодами на основе сульфидов, не перерабатывая полностью химическую систему аккумулятора.

Это может усилить роль QuantumScape как поставщика технологий, а не только разработчика аккумуляторных элементов.

Однако конкуренция высока. Toyota, Samsung SDI, BYD и ряд других компаний также разрабатывают твердотельные батареи. Их главная задача теперь заключается не просто в достижении высокой плотности энергии, но и в обеспечении стабильного, экономически оправданного массового производства.

Для электромобилей решающее значение имеет готовность к производству

Твердотельная батарея, которой требуется меньшее давление, могла бы дать существенные преимущества европейской автомобильной промышленности.

Если аккумуляторному блоку не нужен громоздкий механизм поддержания давления, можно снизить массу его конструкции и освободить место для дополнительных элементов. Это потенциально позволит увеличить запас хода и плотность энергии.

Однако одних лишь 1000 циклов заряда и разряда недостаточно. Автопроизводителям нужны доказательства долговечности, безопасности, возможностей быстрой зарядки и надёжности крупноформатных элементов при разных температурах.

QuantumScape пока не объявила, когда начнётся массовое производство Osprey.

Таким образом, главное достижение Osprey — не сохранение 80% ёмкости после 1000 циклов, а получение этого результата при низком внешнем давлении. Если компании удастся сохранить эту характеристику в более крупных аккумуляторных элементах, она сможет устранить серьёзное препятствие для применения твердотельных батарей в электромобилях.

Пока это многообещающий лабораторный результат, для превращения которого в конкурентоспособный промышленный продукт потребуется ещё значительная работа.