QuantumScape, startup rozwijający ogniwa ze stałym elektrolitem, pochwalił się parametrami swoich ogniw. Ich możliwości robią wrażenie: pozwalają na ładowanie z mocami 4 C, wytrzymują nawet 25 C, oferują gęstości energii w przedziale 0,3-0,4 kWh/kg i w okolicy 1 kWh/l. JB Straubel, współzałożyciel Tesli, uważa to za przełom.
Ogniwa solid-state QuantumScape w samochodach Volkswagena za około 5 lat?
Spis treści
W przeszłości o QuantumScape zrobiło się głośno dwa razy: raz, gdy głównym udziałowcem spółki stał się koncern Volkswagena, drugi raz, gdy jednym z członków zarządu stał się JB Straubel, współzałożyciel Tesli. Teraz zrobiło się głośno po raz trzeci: firma ujawniła efekty swoich badań. Robią one wrażenie z wielu względów: pokazano normalnej wielkości ogniwo, które pracowało w normalnej temperaturze (30 stopni Celsjusza), ujawniono też, że wyniki są powtarzalne.
Ceramiczny separator w ogniwie QuantumScape to elastyczna płytka mniej więcej wielkości karty do gry. W prawym górnym rogu widać prezesa firm, Jagdeepa Singha (c) QuantumScape
O czym mowa? Ogniwa QuantumScape to ogniwa ogniwa litowe wykorzystujące stały elektrolit zamiast ciekłego, które nie posiadają osobnej anody. Ich anoda buduje się sama z jonów litu w momencie ładowania (Li-metal). Gdy ogniwo jest rozładowywane, jony litu uciekają do katody, anoda przestaje istnieć.
Schemat budowy współczesnego ogniwa Li-ion (po lewej) oraz ogniwa QuantumScape. W klasycznym ogniwie idąc od góry mamy elektrodę, grafitowo/krzemową anodę, porowatą membranę, katodę będącą źródłem litu i elektrodę. To wszystko zanurzone jest w elektrolicie ułatwiającym przepływ jonów (c) QuantumScape
Ładowanie z mocą 4 C bez degradacji
Kluczowym osiągnięciem jest możliwość ładowania ogniw QuantumScape z mocą 4 C bez ich degradacji. Degradacji nie ma, ponieważ ceramiczny elektrolit umożliwia przepływ jonów litu, ale nie pozwala na wzrost litowych dendrytów. 4 C oznacza, że przy baterii o pojemności 60 kWh osiągniemy moc ładowania wynoszącą 240 kW, przy 80 kWh już 320 kW i tak dalej. Jednocześnie do 80 procent naładujemy się w 15 minut, więc średnie moce ładowania nie będą wiele niższe niż moce maksymalne – wyniosą odpowiednio 192 i 256 kW.
Takie moce przełożą się na uzupełnianie zasięgu z szybkością +1 200 km/h, czyli +20 km/min. Piętnastominutowy postój na rozprostowanie kości i toaletę da nam więc około 300 kilometrów zasięgu lub ponad 200 kilometrów zasięgu autostradowego.
Intrygująca wydaje się również możliwość znaczącego „podkręcenia” ogniw. Firma pochwaliła się testami do 25 C. Jeśli założymy, że wykorzystamy „tylko” 20 C, auto z baterią o pojemności 60 kWh mogłoby wytrzymać strzały z mocą 1,2 MW!
Ponad 800 cykli pracy z degradacją na poziomie ~10 procent
Kolejną dużą zaletą ogniw QuantumScape jest ich duża wytrzymałość na cykle pracy. Bez problemu osiągają one założone 800 cykli (praca = pełne ładowanie i rozładowanie) przy mocy 1 C i obiecują jeszcze wyższą wytrzymałość przy mniejszych mocach – a to właśnie te ostatnie są spotykane w samochodach elektrycznych.
800 cykli pracy może nie brzmi imponująco, ale jeśli przyłożymy tę wartość do samochodu, otrzymujemy spore liczby. Przyjmujmy, że mamy ogniwa QuantumScape zestawione w baterię o pojemności 60 kWh. Taka pojemność pozwala na bezproblemowe przejechanie ponad 300 kilometrów. 800 cykli pracy to przebieg wynoszący co najmniej 240 tysięcy kilometrów (wykres powyżej).
Przy tym przebiegu ogniwa nadal utrzymują około 90 procent pojemności, więc pozwalają na przejechanie nie „ponad 300”, lecz po prostu 300 kilometrów na jednym ładowaniu! Jeśli liniowa degradacja się utrzyma – tego na razie nie wiemy – przy 480 tysiącach kilometrów przebiegu dochodzimy do około 80 procent pojemności i tak dalej.
Dodajmy, że dziś sygnałem do wymiany lub naprawy baterii jest pojemność wynosząca około 65-70 procent pojemności pierwotnej.
W końcu ogniwa dla samolotów?
JB Straubel, współzałożyciel Tesli, a dziś członek zarządu QuantumScape, uważa osiągnięcie firmy za przełom. Podkreśla, że takie nagłe skoki pojemności nie zdarzają się zbyt często, a w ostatnich latach w Tesli postęp mierzono wręcz jednocyfrowo (w procentach). Prezentacje innych startupów skupiały się zwykle na wybranych parametrach i pomijały inne, tymczasem QuantumScape pokazało szereg pomiarów dotyczących i czasu życia, i ładowania, i wytrzymałości.
Jego zdaniem nowe ogniwa mogą sprawić, że realne stanie się stworzenie elektrycznych samolotów z zasięgami takimi, do jakich przywykliśmy.
Minusy
Na żadnym z ujęć nie pokazano naładowanych ogniw QuantumScape. Sądząc po animacje są one wtedy mocno spęczniałe. Różnica wygląda na co najmniej 2-3 razy wyższą niż w przypadku ogniw Li-ion z anodami opartymi na graficie, co może być jakimś ograniczeniem przy konstruowaniu pojemnych akumulatorów.
Warto obejrzeć (niemal 1,5 godziny materiału):
https://www.youtube.com/watch?v=dGnPSkXKb0I
Zdjęcie otwierające: wygląd ogniw QuantumScape (c) QuantumScape
