Новий твердотільний акумулятор QuantumScape витримав 1000 циклів заряджання, але головне досягнення — в іншому
Американський розробник акумуляторних технологій QuantumScape представив платформу твердотільних акумуляторів Osprey. Після 1000 повних циклів заряджання й розряджання випробуваний елемент зберіг близько 80% початкової ємності. Та важливіше те, що він працював за зовнішнього тиску лише в одну атмосферу. Це може допомогти розв’язати одну з найскладніших проблем твердотільних акумуляторів — потребу у важких і дорогих конструкціях для підтримання тиску.
Твердотільний акумулятор без рідкого електроліту
Osprey поєднує керамічний сепаратор компанії, конструкцію без анода та катод із твердим електролітом на основі сульфідів.
На відміну від попередньої платформи QSE, у новій конструкції в катоді немає рідкого електроліту. Тому елемент Osprey повністю твердотільний.
Конструкція без анода означає, що під час виробництва акумулятор не має окремого анода з металевого літію. Під час першого заряджання металевий літій осідає на поверхні керамічного сепаратора, утворюючи шар, необхідний для накопичення енергії.
Такий підхід дає змогу зменшити витрату матеріалів і підвищити щільність енергії. Однак нерівномірне осадження літію та забезпечення контакту між твердими матеріалами залишаються проблемами.
Електроліти на основі сульфідів добре проводять іони літію, але багато наявних конструкцій потребують високого зовнішнього тиску. Через це конструкція акумуляторного блока стає важчою та складнішою.
1000 циклів без масивної конструкції для підтримання тиску
QuantumScape випробувала двошаровий акумуляторний елемент із катодом розміром 50 × 65 мм.
За температури 30 °C і зовнішнього тиску в одну атмосферу елемент пройшов 1000 повних циклів заряджання й розряджання. Струм заряджання та розряджання становив 1C, а поверхнева ємність катода — 5,5 мА·год/см².
Наприкінці випробування елемент зберіг близько 80% початкової ємності.
Для порівняння, деякі твердотільні акумулятори на основі сульфідів потребують тиску в десятки атмосфер. У великому акумуляторному блоці це означало б значне збільшення маси.
Результат Osprey вказує на можливий спосіб подолати це обмеження.
Однак слід враховувати розмір випробуваного елемента. Його ємність становила приблизно 0,3–0,4 А·год, тоді як ємність попереднього елемента QuantumScape QSE-5 — близько 5 А·год.
Отже, компанія продемонструвала працездатність технології в невеликому лабораторному елементі, але поки що не в акумуляторі для електромобіля, придатному до масового виробництва.
Для заряджання за п’ять хвилин знадобилася температура 80 °C
QuantumScape також представила інші вражаючі результати.
За даними виробника, рівень заряду Osprey вдалося підвищити з 10% до 80% за п’ять хвилин. Однак випробування проводили за температури 80 °C — вищої за звичайну робочу температуру типового акумулятора електромобіля.
Компанія також продемонструвала роботу акумулятора за температури −20 °C. Під час цього випробування невеликий одношаровий елемент зберіг близько 68% ємності, виміряної за кімнатної температури. Струм розряджання був відносно низьким.
За прогнозом QuantumScape, щільність енергії Osprey може сягнути 1100 Вт·год/л. Однак у готовому великоформатному елементі цього показника поки що не досягнуто.
Для порівняння, об’ємна щільність енергії випробуваного елемента QSE-5 компанії становить приблизно 844 Вт·год/л.
Отже, оцінюючи результати Osprey, потрібно розрізняти три речі: виміряну довговічність, швидкість заряджання, досягнуту за особливих умов, і прогноз майбутньої щільності енергії.
Партнерство з Volkswagen дає QuantumScape перевагу
Один із найважливіших партнерів QuantumScape — PowerCo, акумуляторна компанія концерну Volkswagen.
Мета партнерства — налагодити великомасштабне виробництво твердотільних акумуляторів за технологією QuantumScape. Компанія також розвиває платформу QSE-5 і готується ліцензувати свою технологію іншим виробникам акумуляторів.
Osprey відкриває додаткову можливість для бізнесу. Партнери можуть використовувати керамічний сепаратор QuantumScape зі своїми катодами на основі сульфідів без потреби повністю змінювати хімічний склад акумулятора.
Це може посилити роль QuantumScape як постачальника технологій, а не лише розробника акумуляторних елементів.
Утім, конкуренція сильна. Toyota, Samsung SDI, BYD і кілька інших компаній також розробляють твердотільні акумулятори. Їхнє головне завдання вже не просто досягти високої щільності енергії, а забезпечити стабільне, економічно життєздатне масове виробництво.
Для електромобілів вирішальне значення має готовність до виробництва
Твердотільний акумулятор, якому потрібен менший тиск, може дати суттєві переваги європейській автомобільній промисловості.
Якщо акумуляторному блоку не потрібен громіздкий механізм підтримання тиску, його конструкцію можна полегшити й вивільнити місце для додаткових елементів. Це потенційно може збільшити і запас ходу, і щільність енергії.
Однак самих лише 1000 циклів заряджання недостатньо. Автовиробникам потрібні докази довговічності, безпеки, здатності до швидкого заряджання та надійності великоформатних елементів за різних температур.
QuantumScape поки що не оголосила, коли розпочнеться масове виробництво Osprey.
Отже, найбільше досягнення Osprey — не збереження 80% ємності після 1000 циклів, а отримання такого результату за низького зовнішнього тиску. Якщо компанія зможе зберегти цю характеристику у більших акумуляторних елементах, це може усунути значну перешкоду на шляху до застосування твердотільних акумуляторів в електромобілях.
Поки що це обнадійливий лабораторний результат, але для перетворення його на конкурентоспроможний промисловий продукт знадобиться ще значна робота над технологією.
