QuantumScape представила полностью твердотельный элемент Osprey: 1 000 циклов при давлении 1 атм
QuantumScape (QS) наконец переходит на полностью твердотельную технологию. Новая платформа Osprey заменяет жидкость в катоде сульфидным твердым электролитом, и, по словам компании, ячейки выдержали 1 000 полных циклов с сохранением 80% емкости при давлении всего в одну атмосферу.
Это большое событие для сульфидного лагеря, в который входят Toyota, Samsung SDI, BYD и Factorial. Их ячейкам для работы обычно требуется мощное сжатие. Однако технический документ, на котором основано заявление, показывает, что речь идет о небольших ранних лабораторных ячейках, а некоторые громкие цифры сопровождаются важными оговорками.
Нынешние ячейки QuantumScape не являются полностью твердотельными
Вот что QuantumScape редко формулировала так прямо: ее нынешний продукт не является полностью твердотельным.
В новом техническом документе платформа QSE, включая ячейку QSE-5, образцы которой компания поставляет со своей пилотной производственной линии Eagle Line в Сан-Хосе, описывается как керамический сепаратор в паре с «относительно традиционным катодом NMC с высоким содержанием никеля и жидким католитом».
Твердая часть — это сепаратор. Он находится между катодом и анодом из металлического лития, который QuantumScape вообще не производит. Ячейка построена по «безанодной» схеме, и литий осаждается на сепараторе во время первой зарядки.
Osprey сохраняет этот сепаратор и безанодную конструкцию, но заменяет жидкость в катоде твердым сульфидным электролитом. Благодаря этому вся ячейка становится твердотельной.
Сульфиды в качестве сепараторов: QS по-прежнему против
Интересно, что QuantumScape не изменила своего мнения о сульфидах. Компания годами утверждала, что сульфидные электролиты не могут работать в качестве сепараторов, и технический документ лишь усиливает эту позицию, называя их проблемы «фундаментальными свойствами» материала, а не инженерными задачами.
Компания перечисляет четыре проблемы: сульфиды реагируют с металлическим литием, им требуется высокое давление для поддержания контакта с электродами, они плохо работают при комнатной температуре и ниже, а также не выдерживают быструю зарядку с анодом из металлического лития до образования дендритов.
Именно давление волнует автопроизводителей больше всего. QuantumScape иллюстрирует это так: 20 атм на одну ячейку размером 10 x 24,2 см — это примерно 5 000 кг усилия, вес около трех автомобилей среднего класса. Чтобы удерживать такое давление во всей батарее, нужны толстые стальные торцевые пластины и стяжки, которые добавляют вес, объем и стоимость.
Причем 20 атм — это еще щедрая оценка. Многие лабораторные сульфидные ячейки работают при давлении от 30 до более чем 100 атм (от 3 до 12 МПа), а некоторые — и при более высоком. Китайская FAW в сентябре сообщила о циклировании крупноформатных сульфидных ячеек при 5 МПа, или около 50 атм, и это было преподнесено как достижение в области низкого давления.
Так что предложение QS простое: оставить сульфид в катоде, где он хорошо переносит ионы лития, а работу с металлическим литием доверить керамическому сепаратору QS.
Что показывают данные Osprey
QuantumScape опубликовала четыре основных набора данных:
Циклический ресурс: настоящий результат
Это самый сильный результат. Двухслойная ячейка с катодом 50 x 65 мм — той же площади, что и у QSE-5, — прошла 1 000 циклов с сохранением около 80% емкости. Испытание проводилось при полной зарядке 1C и разрядке 1C, от 0 до 100% уровня заряда, при 30°C и 1 атм. Удельная емкость катода составляла 5,5 мАч/см², что соответствует коммерческим ячейкам для электромобилей.
QuantumScape утверждает, что ни одна другая ячейка на основе сульфидов такого не показывала, и Electrek не удалось найти опубликованных данных, которые бы это опровергали. Академические группы демонстрировали сульфидные ячейки, работающие при малом внешнем давлении или вовсе без него, но не на протяжении 1 000 полных циклов с сульфидным катодом и анодом из металлического лития.
Но это небольшая ячейка. По нашим подсчетам, два слоя такого размера дают примерно 0,3–0,4 Ач против около 5 Ач у QSE-5.
Быстрая зарядка: при 80°C
В пресс-релизе говорится о «пятиминутной быстрой зарядке с 10% до 80%». Технический документ показывает, что это было достигнуто при токе 10C в двухслойной ячейке при 80°C (176°F). Сам график подписан так: «Высокая температура обеспечивает 5-минутную быструю зарядку».
Батареи заряжаются гораздо быстрее в нагретом состоянии, и электромобили действительно прогревают батарею перед быстрой зарядкой. Тем не менее 80°C — это намного выше температуры, до которой обычно прогревают батареи электромобилей перед быстрой зарядкой. Результатов быстрой зарядки при комнатной температуре QS не опубликовала.
Холодная погода: крошечная ячейка
Заявление о «работоспособности до -20°C» основано на однослойной ячейке с катодом 21 x 21 мм, разряжаемой медленно, током C/3. При -20°C она сохранила 68% своей емкости при комнатной температуре (около 52% энергии), а при 0°C — 85%.
Для сульфидной системы, которым исторически требовался подогрев, это реальный результат. Но речь идет о крошечной ячейке при щадящем режиме.
Плотность энергии: прогноз
Цифра «до ~1 100 Втч/л» — это прогноз. QS утверждает, что катоды с высокой удельной емкостью (10 мАч/см², примерно вдвое больше, чем у современных ячеек для электромобилей) возможны с сульфидными католитами. Подтверждающее испытание проводилось на 11-миллиметровой ячейке размером с монету при 3 атм, а не 1 атм, и длилось 100 циклов.
Для сравнения: номинальные характеристики QSE-5 — 844 Втч/л и 301 Втч/кг.
«Открытая платформа» для чужих сульфидных катодов
Бизнес-модель — вот главная новость.
QuantumScape позиционирует Osprey как «открытую платформу». Клиенты могут использовать собственный сульфидный катод QS, изготовленный по запатентованной сухой технологии, или применить свой. QS утверждает, что уже испытала Osprey с твердыми катодами, разработанными ее клиентами-автопроизводителями.
Иными словами, после многих лет скептицизма в отношении сульфидов QuantumScape теперь хочет продавать свой сепаратор и безанодную конструкцию компаниям, которые потратили миллиарды на разработку сульфидных катодов.
Это вписывается в лицензионную модель, которую компания уже использует с PowerCo (Volkswagen) и Honda. QS сообщила о выставленных клиентам счетах на 9,8 млн долларов в третьем квартале и объявила о линии мощностью 100 МВтч с запуском производства QSE-5 в 2028 году.
Сроков для Osprey нет. В техническом документе говорится, что процесс продемонстрирован «в лабораторном масштабе», более производительные процессы находятся «на стадии разработки», а «в области технологической инженерии предстоит значительная работа». Кроме того, автопроизводителям нужны призматические ячейки крупнее QSE-5, а это означает больше слоев и большую площадь каждого слоя.
Место в твердотельной гонке
Остальные игроки работают по графику. Samsung SDI планирует начать массовое производство сульфидных полностью твердотельных ячеек на заводе в Ульсане во второй половине 2027 года. BYD планирует мелкосерийное производство сульфидных твердотельных батарей в 2027 году, а массовое — ближе к концу десятилетия. Toyota нацелена на 2027–2028 годы после переносов с 2020, 2023 и 2026 годов. Сульфидная платформа Solstice от Factorial рассчитана на плотность до 450 Втч/кг.
CATL, крупнейший в мире производитель батарей, заявила в июне, что до по-настоящему массовых твердотельных батарей «еще годы» — примерно 2030 год.
Ни одна из этих компаний не опубликовала данные о 1 000 циклах при 1 атм с сульфидным катодом и анодом из металлического лития. Это первый выстрел QuantumScape.
Мнение Electrek
Это самое интересное, что QuantumScape публиковала за последнее время. Цифры хорошие, но, пожалуй, больше всего выделяется смена стратегии.
Результат по циклическому ресурсу вполне убедителен. Двухслойная ячейка с электродами коммерческой площади и реалистичной удельной емкостью, выдержавшая 1 000 полных циклов 1C при 1 атм и 30°C, — таких данных отрасль еще не показывала. К тому же QS опубликовала условия испытаний, чего не делают многие ее конкуренты.
Однако можно утверждать, что пресс-релиз преувеличивает содержание технического документа. 5-минутная зарядка при 80°C — это не то же самое, что просто 5-минутная зарядка, и в релизе следовало об этом сказать. Плотность энергии — прогнозная, результат для холодной погоды получен на ячейке размером с почтовую марку, а 80% после 1 000 циклов — заметно ниже 95% после 1 000 циклов, которые PowerCo подтвердила для ранних ячеек QSE еще в 2024 году. Другая химия, другая стадия, но об этом стоит помнить.
Таким образом, QuantumScape по сути признает, что жидкий католит в QSE — не конечная цель и что к огромным инвестициям отрасли в сульфиды стоит подключиться, а не бороться с ними. Если ваш сепаратор — единственный компонент, который остальным не удается заставить работать, продавать его им — разумный шаг.
Вопрос во времени. QS все еще масштабирует QSE-5, а линия на 100 МВтч заработает лишь в 2028 году. Osprey — лабораторный процесс. Получит ли кто-нибудь из сульфидного лагеря лицензию на него до того, как собственные производственные планы на 2027–2030 годы будут окончательно зафиксированы? Похоже, именно на это сейчас и делает ставку QS.
