Nová batéria QuantumScape s pevným elektrolytom vydržala 1 000 cyklov, jej najväčší úspech je však inde

Batéria s pevným elektrolytom bez kvapalného elektrolytu

Osprey spája keramický separátor spoločnosti, konštrukciu bez anódy a katódu obsahujúcu pevný elektrolyt na báze sulfidov.

Na rozdiel od staršej platformy QSE nová konštrukcia nepoužíva v katóde kvapalný elektrolyt. Osprey je tak batériovým článkom, v ktorom je elektrolyt výlučne v pevnom skupenstve.

Konštrukcia bez anódy znamená, že batéria pri výrobe nemá samostatnú anódu z kovového lítia. Pri prvom nabíjaní sa kovové lítium ukladá na povrchu keramického separátora a vytvára vrstvu potrebnú na ukladanie energie.

Tento prístup umožňuje znížiť spotrebu materiálu a zvýšiť energetickú hustotu. Výzvami však zostávajú nerovnomerné ukladanie lítia a udržiavanie kontaktu medzi pevnými materiálmi.

Elektrolyty na báze sulfidov dobre vedú lítiové ióny, mnohé existujúce konštrukcie však vyžadujú vysoký vonkajší tlak. Konštrukcia batériového bloku je preto ťažšia a zložitejšia.

1 000 cyklov bez robustnej konštrukcie na udržiavanie tlaku

QuantumScape testovala dvojvrstvový batériový článok s katódou s rozmermi 50 × 65 mm.

Pri teplote 30 °C a vonkajšom tlaku jednej atmosféry článok absolvoval 1 000 úplných nabíjacích a vybíjacích cyklov. Rýchlosť nabíjania a vybíjania bola 1C a plošná kapacita katódy dosahovala 5,5 mAh/cm².

Na konci testu si článok zachoval približne 80 % pôvodnej kapacity.

Na porovnanie, niektoré batérie s pevným elektrolytom na báze sulfidov vyžadujú tlak v desiatkach atmosfér. Vo veľkom batériovom bloku by to znamenalo výraznú dodatočnú hmotnosť.

Výsledok Osprey naznačuje možnosť, ako toto obmedzenie prekonať.

Treba však zohľadniť veľkosť testovaného článku. Jeho kapacita bola približne 0,3 až 0,4 Ah, zatiaľ čo starší článok QSE-5 od QuantumScape má kapacitu okolo 5 Ah.

Spoločnosť teda preukázala, že technológia funguje v malom laboratórnom článku, zatiaľ však nie v batérii pre elektromobily vhodnej na sériovú výrobu.

Päťminútové nabíjanie si vyžadovalo teplotu 80 °C

QuantumScape predstavila aj ďalšie pôsobivé výsledky.

Podľa výrobcu dokázal Osprey za päť minút zvýšiť úroveň nabitia batérie z 10 % na 80 %. Test však prebiehal pri 80 °C, teda nad bežnou prevádzkovou teplotou typickej batérie elektromobilu.

Spoločnosť tiež predviedla prevádzku batérie pri −20 °C. V tomto teste si malý jednovrstvový článok zachoval približne 68 % kapacity nameranej pri izbovej teplote. Pri teste sa použil pomerne nízky vybíjací prúd.

QuantumScape predpokladá, že Osprey dosiahne energetickú hustotu až 1 100 Wh/l. Táto hodnota však zatiaľ nebola dosiahnutá v hotovom veľkoformátovom článku.

Na porovnanie, testovací článok QSE-5 od QuantumScape má objemovú energetickú hustotu približne 844 Wh/l.

Pri hodnotení výsledkov Osprey je preto potrebné rozlišovať medzi tromi vecami: nameranou životnosťou, rýchlosťou nabíjania dosiahnutou za osobitných podmienok a odhadom budúcej energetickej hustoty.

Partnerstvo s Volkswagenom dáva QuantumScape výhodu

Jedným z najdôležitejších partnerov QuantumScape je PowerCo, batériová spoločnosť koncernu Volkswagen.

Cieľom partnerstva je zaviesť technológiu batérií s pevným elektrolytom do veľkosériovej výroby. QuantumScape zároveň vyvíja platformu QSE-5 a pripravuje sa na poskytovanie licencií na svoju technológiu ďalším výrobcom batérií.

Osprey otvára ďalšiu obchodnú príležitosť. Partneri môžu keramický separátor QuantumScape použiť s vlastnými katódami na báze sulfidov bez toho, aby museli prepracovať celé chemické zloženie batérie.

QuantumScape by tak mohla získať významnejšiu úlohu dodávateľa technológie, nielen vývojára batériových článkov.

Konkurencia je však silná. Batérie s pevným elektrolytom vyvíjajú aj Toyota, Samsung SDI, BYD a viacero ďalších spoločností. Ich hlavnou výzvou už nie je iba dosiahnuť vysokú energetickú hustotu, ale zabezpečiť stabilnú a ekonomicky životaschopnú veľkosériovú výrobu.

Pre elektromobily je rozhodujúca pripravenosť na výrobu

Batéria s pevným elektrolytom, ktorá vyžaduje nižší tlak, by mohla európskemu automobilovému priemyslu priniesť významné výhody.

Ak batériový blok nepotrebuje rozmerný mechanizmus na udržiavanie tlaku, možno znížiť hmotnosť jeho konštrukcie a uvoľniť priestor pre ďalšie články. To by mohlo potenciálne zlepšiť dojazd aj energetickú hustotu.

Samotných 1 000 nabíjacích cyklov však nestačí. Automobilky potrebujú dôkazy o životnosti, bezpečnosti, výkone pri rýchlom nabíjaní a spoľahlivosti veľkoformátových článkov pri rôznych teplotách.

QuantumScape zatiaľ neoznámila, kedy sa začne sériová výroba Osprey.

Najväčším úspechom Osprey teda nie je zachovanie 80 % kapacity po 1 000 cykloch, ale dosiahnutie tohto výsledku pri nízkom vonkajšom tlaku. Ak si spoločnosť dokáže túto vlastnosť zachovať aj vo väčších batériových článkoch, mohla by odstrániť významnú prekážku pri zavádzaní batérií s pevným elektrolytom do elektromobilov.

Zatiaľ ide o sľubný laboratórny výsledok, ktorý si pred premenou na konkurencieschopný priemyselný produkt ešte vyžiada rozsiahly vývoj.