Revoluce pro elektromobily: QuantumScape přišlo s baterií, která má velkou kapacitu, a navíc se rychle dobíjí

Jak omezenou kapacitu baterií vyřešit teoreticky, se ví už dlouho. Místo běžně používaného kapalného elektrolytu, který vede elektrický proud v baterii, je potřeba použít elektrolyt v pevném skupenství. Za posledních 40 let ale nebyl nikdo schopen baterii s pevným elektrolytem vyrobit tak, aby opravdu fungovala. 

Podle spoluzakladatele a ředitele QuantumScape Jagdeepa Singha jejich baterie řeší všechny zmíněné problémy. Podle údajů společnosti se článek baterie dokáže nabít na 80 procent kapacity za 15 minut. Více než 80 procent kapacity si navíc udrží po 800 nabíjecích cyklech. Je nehořlavý a zároveň má vyšší hustotu energie. Do článku o objemu jednoho litru je možné uložit více než tisíc watthodin, což je téměř čtyřikrát více, než kolik má současná baterie Tesla Model 3, píše web New Atlas.

Podle webu je pozoruhodný i výkon baterie při nízkých teplotách. Významná část kapacity je dostupná už od -30 stupňů Celsia, což ocení především lidé žijící v chladnějších klimatických podmínkách.

V rozhovoru pro The Verge Singh řekl, že nevidí na horizontu nic, co by se blížilo tomu, s čím přišla jeho společnost. 

Ředitel start-upu tvrdí, že jejich baterie je tak velkou změnou, že elektromobily posune do mainstreamu. Myslí si to i investoři společnosti, mezi kterými je například Bill Gates, Vinod Khosla nebo spoluzakladatel Tesly J. B. Straubel. Mezi nejvýznamnější podporovatele společnosti ale patří Volkswagen, který do QuantumScape investoval více než 300 milionů dolarů a s užíváním baterií s pevným elektrolytem ve svých vozidlech plánuje začít už v roce 2025.

Článek baterie QuantumScape má velikost a tloušťku hrací karty. Katoda je vyrobená z běžně užívaného materiálu pro baterie elektromobilů NMC (lithium-nikl-mangan-kobalt oxid), anoda je pak vyrobená z čistě lithiového kovu. Přesněji však baterie kalifornského start-upu anodu vůbec nemá, vyrábí se bez ní. Když se baterie vybije, veškeré lithium proudí z anody ke katodě. Prostor na anodě, který je tenký jako vlas, je dočasně stlačený jako harmonika, a když je baterie nabitá, proces se obrátí a lithiové ionty zaplní prostor anody.

Podle inženýra z Carnegie Mellon University a poradce QuantumScape je "bezanodový" design důležitý, protože je to pravděpodobně jediná cesta, jak se takové baterie mohou v současné době vyrábět. "Bez anody je to výzva," dodává Venkat Viswanathan.

Důležitý klíč k úspěchu baterie s pevným elektrolytem ale představuje flexibilní keramický separátor. Je umístěný mezi katodou a anodou a stejně jako u kapalného elektrolytu, který se mezi elektrodami nachází v běžných článcích, je jeho hlavní funkcí přepravovat ionty z jedné elektrody na druhou, když se baterie vybíjí a nabíjí. Separátor ale působí také jako určitá bariéra, která zabraňuje tvorbě dendritů (kovové výběžky, které se na anodách tvoří během nabíjení). Jejich tvorba je pro baterie běžným problémem, který může způsobit zkratování baterie a někdy i vznícení, píše New Atlas.

Ředitel Argonne Collaborative Center for Energy Storage Sciene Venkat Srinivasan strávil výzkumem baterií s pevným elektrolytem desetiletí. Podle něj bylo nalezení separačního materiálu zdaleka největší výzvou.

Vědci běžně používají plastický polymer nebo keramiku, ani jeden z materiálů však pro baterie s pevným elektrolytem neslouží tak, jak je potřeba. Plastický polymer neblokuje dendrity a keramika je naopak křehká a nevydržela by více než několik desítek nabíjecích cyklů. 

Problémem při vývoji lithium-iontových baterií je, že vývoj jednoho článku baterie následně ovlivní další části, a to nepředvídatelně ovlivní výkon baterie. QuantumScape trvalo deset let, než dospěli k separátoru, který odpovídá požadavkům. Společnost do výzkumu a vývoje investovala asi 300 milionů dolarů, materiál, který hledali, je ale podle Singha levný a snadno dostupný.  

Před QuantumScape však stojí důležitá zkouška. Veškerá data se generovala pouze z jednotlivých článků, tedy ne z celé baterie. Tenký článek, který zatím start-up odhalil, bude spojen asi se stovkou dalších, aby byl kompletní. K pohonu elektromobilu pak bude potřeba stovka takových kompletních baterií, to ale společnost zatím netestovala. Podle Srinivasana to později může způsobit hodně problémů. Když jsou totiž baterie vyráběné v malých sériích, lze snadno eliminovat vady, které se během výrobního procesu objeví. Jakmile ale začne výroba ve velkém, je obtížnější vady kontrolovat. 

Souhlasí s ním i Jeff Sakamoto, inženýr z University of Michigan, který s QuantumScape spolupracuje. Podle něj stále existují mezery ve znalostech o základních mechanických vlastnostech lithiových kovových baterií s pevným elektrolytem. 

QuantumScape a Volkswagen samozřejmě nejsou jediní, kteří se o vývoj baterie s pevným elektrolytem pokouší.

Snaží se o to i Toyota, která plánovala oficiální odhalení na olympijských hrách v Tokiu. Ty byly ale kvůli celosvětové pandemii o rok odloženy. I Toyota chce mít takové vozy na silnicích už od roku 2025.  

Funkční článek baterie s pevným elektrolytem vytvořil i šest let starý start-up Solid Power. Jejich elektrolyt je však na bázi sulfidů. Solid Power má přitom na své straně několik výrobců automobilů, včetně společností Hyundai, Ford a BMW. S využitím článků v provozu nepočítá Solid Power před rokem 2026, a to kvůli zdlouhavému kvalifikačnímu procesu.

Společnost QuantumScape vznikla v květnu 2010, když se oddělila od Stanfordovy univerzity v USA. S Volkswagenem začala spolupracovat o dva roky později. Dohoda ale podle webu The Verge není exkluzivní. Nedávno představené elektrické SUV ID.4 totiž bude zpočátku využívat baterie vyrobené jihokorejským LG Chem, než se přesunou k těm, které vyrábí SK Innovation.

V září 2020 se společnost spojila s investiční firmou Kensington Capital Aquisition a vstoupila na burzu, získala tak více než miliardu dolarů. Při nedávné ceně 42,50 dolaru za akcii se akcie QuantumScape oceňují zhruba na 19 miliard dolarů, píše The Verge. To z něj činí jednoho z pěti nejvýznamnějších dodavatelů automobilového průmyslu v USA.