После почти десяти лет молчания американская компания QuantumScape поделилась данными о лабораторных тестах своих батарей. Если информация соответствует действительности, это первые по-настоящему близкие к коммерческому воплощению твердотельные литий-металлические аккумуляторы.
Издание The Verge пишет, что результатами долгих лет работы компания поделилась на виртуальном мероприятии «День батарей» (Battery day). По заявлениям представителей QuantumScape, ячейки их аккумуляторов обладают энергетической плотностью в один киловатт-час на литр объема. Это почти в два раза больше, чем даже у самых продвинутых литийионных батарей. Конечно, итоговая емкость аккумулятора будет не вдвое выше, поскольку это лишь теоретический максимум для отдельной ячейки.
При аналогичной массе твердотельные литий-металлические аккумуляторы обеспечат как минимум прирост пробега на 80% (в перспективе — еще больше). «Магическая» цифра 8, судя по всему, была ключом всей презентации: после 800 циклов «заряд — разряд» батареи QuantumScape сохранили 80% емкости. Наконец, они не склонны к самопроизвольной деформации, возгоранию при повреждениях и выгоднее в производстве.
Столь оптимистичные заявления не могли остаться незамеченными в профессиональном сообществе и встретили обоснованный скепсис. Портал MIT Technologyreview опросил нескольких специалистов, и они высказали свои опасения по поводу реалистичности планов QuantumScape. Компания обещает начать массовое производство своих революционных батарей к 2025 году, однако Пол Альбертус (Paul Albertus), доцент химических и биомолекулярных инженерных наук из Университета штата Мэрилэнд, сомневается, что это возможно.
Он иронично напоминает, что подобные «революции» происходят регулярно: та или иная компания заявляет о прорыве, однако технологии так и не доходят до конвейера. Например, отмечает он, QuantumScape обнародовали результаты тестирования однослойных ячеек, но в реальных аккумуляторах они должны быть многослойными. На этапе перехода к производственному процессу могут возникнуть непредвиденные технологические сложности. В итоге это приведет к задержкам при выходе на рынок, снижению объявленных ранее характеристик или вовсе закрытию проекта. Тем не менее ранее возглавлявший исследовательский проект по твердотельным аккумуляторам Альбертус признает достижения QuantumScape. По его словам, компания пробежала марафон, когда все остальные соперники только-только завершили пятикилометровый забег.
Основатель и глава QuantumScape Джагдип Сингх (Jagdeep Singh) на критику отвечает сдержанно. Он утверждает, что его компания старается быть открытой, но не может раскрывать всех карт, чтобы не дать конкурентам преимущество. Как отметил Сингх, технологию революционных батарей уже проверяют в лабораториях инвесторов: среди которых, между прочим, концерн Volkswagen, вложивший в кампанию свыше 300 миллионов долларов. Иными словами, если QuantumScape что-то и «подкручивает» в результатах, то ее должны поддерживать рискующие внушительными суммами партнеры.
Секрет фирмы
Насколько можно судить по открытым данным и промоматериалам компании, секрет этих батарей — в уникальном сепараторе. Тончайшая керамическая пленка отделяет гелеобразный электролит катода от металлического лития. Да, несмотря на название, батареи QuantumScape, на самом деле, не полностью твердотельные. Сепаратор должен пропускать ионы лития к катоду и при этом не давать образовываться металлическим шипам на стороне анода. Если технология работает, то стартапу из Сан-Хосе удалось решить важнейшую проблему литиевых батарей с твердым анодом.
По словам Сингха, материал сепаратора — самый главный коммерческий секрет компании. На поиски необходимого соединения ушло пять лет, еще столько же потребовалось, чтобы отладить производственный процесс. Предположительно, используется так называемый оксид LLZO (Li7La3Zr2O12), но никаких подтверждений этому пока нет.
Еще одна особенность батарей QuantumScape скрывается в конструкции анода. В отличие от других типов аккумуляторов, его в них нет. На отрицательном контакте при заряде батареи формируется слой металлического лития. При разряде его атомы теряют электрон, и ионы просачиваются через сепаратор в специальный материал катода. Затем цикл повторяется. Такой подход позволяет более полно использовать дефицитный литий, а также существенно уменьшить объем ячейки.
Напомним, 2020 год ознаменовался сразу несколькими громкими новостями, которые касались батарей для электромобилей. В частности, компания Tesla провела презентацию своих новых ячеек 4680, отличающихся конструкцией от ранее использовавшихся. Суммарно все примененные при разработке новшества позволили увеличить пробег машины на 16%, а отдаваемую мощность — в шесть раз.
Более того, первопроходец литиевых батарей Джефф Дан (Jeff Dahn), который разрабатывает аккумуляторные ячейки для Tesla, поделился результатами их испытаний на выносливость. Как рассказывается на сайте Electrek, по данным Дана, при распространенном стиле использования электромобилей (без разряда ниже 20% и заряда выше 80%) батареи получаются практически вечными. Их срок службы превышает эквивалент пробега в 3,5 миллиона километров. То есть машина развалится, а батарею можно будет еще переставить в новую.