QuantumScapes nya fastfasbatteri klarade 1 000 laddcykler – men den största framgången är en annan
Det amerikanska batteriteknikföretaget QuantumScape har presenterat Osprey, en plattform för fastfasbatterier. En testcell hade kvar cirka 80 procent av sin ursprungliga kapacitet efter 1 000 fullständiga laddnings- och urladdningscykler. Viktigare är att batteriet fungerade med ett yttre tryck på bara en atmosfär. Det kan bidra till att lösa ett av fastfasbatteriernas svåraste problem: behovet av tunga och kostsamma konstruktioner som upprätthåller trycket.
Ett fastfasbatteri utan flytande elektrolyt
Osprey kombinerar företagets keramiska separator, en konstruktion utan anod vid tillverkningen och en katod som innehåller en sulfidbaserad fast elektrolyt.
Till skillnad från den tidigare QSE-plattformen använder den nya konstruktionen ingen flytande elektrolyt i katoden. Det gör Osprey till en battericell med enbart fasta komponenter.
Att konstruktionen saknar anod vid tillverkningen innebär att batteriet då inte har någon separat anod av litiummetall. Vid den första laddningen avsätts metalliskt litium på den keramiska separatorns yta och bildar det skikt som behövs för att lagra energi.
Detta gör det möjligt att minska materialåtgången och öka energitätheten. Ojämn litiumavsättning och svårigheten att bibehålla kontakten mellan fasta material är dock fortfarande utmaningar.
Sulfidbaserade elektrolyter leder litiumjoner väl, men många befintliga konstruktioner kräver ett högt yttre tryck. Det gör batteripaketets konstruktion tyngre och mer komplicerad.
1 000 cykler utan omfattande konstruktion för att upprätthålla trycket
QuantumScape testade en battericell med två lager och en katod som mätte 50 × 65 mm.
Vid 30 °C och ett yttre tryck på en atmosfär genomförde cellen 1 000 fullständiga laddnings- och urladdningscykler. Laddnings- och urladdningstakten var 1C och katodens kapacitet per ytenhet var 5,5 mAh/cm².
Vid testets slut hade cellen kvar cirka 80 procent av sin ursprungliga kapacitet.
Som jämförelse kräver vissa sulfidbaserade fastfasbatterier tryck på tiotals atmosfärer. I ett stort batteripaket skulle det innebära en betydande extra vikt.
Ospreys resultat pekar på en möjlighet att övervinna denna begränsning.
Testcellens storlek måste dock vägas in. Dess kapacitet var cirka 0,3–0,4 Ah, medan QuantumScapes tidigare QSE-5-cell har en kapacitet på omkring 5 Ah.
Företaget har alltså visat att tekniken fungerar i en liten laboratoriecell, men ännu inte i ett elbilsbatteri lämpat för massproduktion.
Fem minuters laddning krävde 80 °C
QuantumScape presenterade även andra imponerande resultat.
Enligt tillverkaren kunde Osprey höja batteriets laddningsnivå från 10 till 80 procent på fem minuter. Testet genomfördes dock vid 80 °C, vilket är högre än den normala drifttemperaturen för ett typiskt elbilsbatteri.
Företaget visade också att batteriet fungerade vid −20 °C. I det testet behöll en liten cell med ett lager cirka 68 procent av den kapacitet som uppmättes vid rumstemperatur. Testet genomfördes med en relativt låg urladdningsström.
QuantumScape prognostiserar en energitäthet på upp till 1 100 Wh/l för Osprey. Den nivån har dock ännu inte uppnåtts i en färdig cell i stort format.
Som jämförelse har företagets testcell QSE-5 en volymetrisk energitäthet på cirka 844 Wh/l.
Vid bedömningen av Ospreys resultat måste man därför skilja mellan tre saker: uppmätt cykeltålighet, laddningshastighet under särskilda förhållanden och en prognos för framtida energitäthet.
Samarbetet med Volkswagen ger QuantumScape en fördel
En av QuantumScapes viktigaste samarbetspartner är PowerCo, Volkswagenkoncernens batteribolag.
Samarbetet syftar till att föra företagets fastfasbatteriteknik till storskalig produktion. QuantumScape utvecklar också QSE-5-plattformen och förbereder licensiering av sin teknik till andra batteritillverkare.
Osprey öppnar ytterligare en affärsmöjlighet. Samarbetspartner kan använda QuantumScapes keramiska separator tillsammans med sina egna sulfidbaserade katoder utan att behöva göra om hela batterikemin.
Det skulle kunna ge QuantumScape en större roll som teknikleverantör, snarare än enbart som utvecklare av battericeller.
Konkurrensen är dock hård. Toyota, Samsung SDI, BYD och flera andra företag utvecklar också fastfasbatterier. Deras främsta utmaning är inte längre bara att nå hög energitäthet, utan att säkerställa stabil och ekonomiskt hållbar massproduktion.
Produktionsberedskapen avgör om tekniken når elbilar
Ett fastfasbatteri som kräver lägre tryck skulle kunna ge betydande fördelar för den europeiska bilindustrin.
Om ett batteripaket inte behöver en skrymmande mekanism som upprätthåller trycket kan konstruktionens vikt minska och utrymme frigöras för fler celler. Det skulle potentiellt kunna förbättra både räckvidden och energitätheten.
Men 1 000 laddcykler räcker inte i sig. Biltillverkarna behöver belägg för hållbarhet, säkerhet, snabbladdningsprestanda och tillförlitlighet vid olika temperaturer hos celler i stort format.
QuantumScape har ännu inte meddelat när massproduktionen av Osprey ska inledas.
Ospreys största framgång är därför inte att cellen behöll 80 procent av sin kapacitet efter 1 000 cykler, utan att den gjorde det vid ett lågt yttre tryck. Om företaget kan behålla samma egenskap i större battericeller skulle det kunna undanröja ett betydande hinder för att ta fastfasbatterier i bruk i elbilar.
Än så länge är det ett lovande laboratorieresultat som fortfarande kräver omfattande utvecklingsarbete för att bli en konkurrenskraftig industriprodukt.
