La technologie de batterie lithium-métal à état solide de QuantumScape dépasse les attentes de performance en matière de rétention d’énergie lors des tests réalisés par PowerCo, filiale de Volkswagen Group.
Les données des tests des cellules de batterie lithium-métal à état solide de QuantumScape indiquent que la technologie de batterie a dépassé les objectifs de performance en matière de rétention d’énergie pour sa phase de développement de l’échantillon A, selon Volkswagen Group (VW).
Les batteries à état solide promettent des gammes de véhicules électriques plus longues. Image utilisée avec l’aimable autorisation de QuantumScape
Des tests réalisés pendant plusieurs mois par PowerCo, la filiale de Volkswagen pour les batteries, ont montré que les cellules prototypes de QuantumScape pouvaient effectuer avec succès 1 000 cycles de charge tout en conservant 95 % de leur capacité nominale de stockage d’énergie, ce qui équivaut à parcourir 500 000 km sans aucune réduction perceptible de la portée du véhicule électrique (VE).
Si elles sont couronnées de succès, les batteries à état solide offrent un potentiel d’amélioration significative par rapport aux batteries lithium-ion classiques en termes d’amélioration des gammes de VE, des temps de charge et de la sécurité.
Batteries lithium-métal à état solide
Selon QuantumScape, les conceptions traditionnelles de batterie au lithium-ion atteignent rapidement la limite de densité énergétique. Pour résoudre cette limite de performance, QuantumScape a introduit des innovations clés dans la conception de la batterie, notamment un séparateur solide en céramique exclusif associé à des anodes en lithium-métal.
Le séparateur solide en céramique remplace les séparateurs en polymère utilisés dans les batteries lithium-ion classiques. Comme la céramique ne réagit pas avec le lithium, les anodes en graphite/silicium utilisées dans les batteries classiques peuvent être remplacées par des anodes en lithium-métal de densité plus élevée.
Conception de cellules lithium-métal à état solide. Image utilisée avec l’aimable autorisation de QuantumScape
En plus de la densité d’énergie plus élevée (ce qui signifie des gammes de VE plus longues), les batteries lithium-métal à état solide peuvent également se recharger plus rapidement car elles éliminent le processus de diffusion du lithium présent dans les batteries classiques. Les batteries sont également plus sûres car le séparateur et les matériaux anolytes ne contiennent pas de matières organiques combustibles.
Sur la base de l’objectif de densité d’énergie commerciale de 800 à 1 000 Wh/L pour ses batteries à état solide, les batteries pourraient augmenter les gammes de VE de plus de 40 % par rapport à la densité d’énergie de 700 Wh/L des cellules lithium-ion les plus performantes actuelles.
Association des anodes en lithium-métal avec les cathodes
Les deux principaux types de cathodes utilisés dans les batteries lithium-ion classiques sont le nickel manganèse cobalt et le phosphate de fer au lithium (LFP). Les cellules de batterie utilisant des cathodes NMC ont des densités d’énergie élevées particulièrement adaptées aux applications des groupes motopropulseurs de VE, mais elles peuvent être coûteuses. Les cellules à base de LFP sont une option plus abordable avec une meilleure durée de vie de cycle, mais une densité d’énergie inférieure de 20 % réduit les distances de conduite des VE.
Ensemble, les deux technologies de cathode forment une frontière de performance-prix basée sur le coût et la densité d’énergie.
Grâce au séparateur céramique à l’état solide et à l’anode en lithium-métal, QuantumScape affirme que sa technologie de batterie déplace la frontière de performance énergie/coût, augmentant les densités d’énergie tout en réduisant le coût par unité de densité d’énergie pour les types de batteries NMC et LFP.
Frontière des performances des batteries avec des anodes en lithium-métal. Image utilisée avec l’aimable autorisation de QuantumScape
Résultats des tests de rétention d’énergie
Pour les nouvelles technologies de cellules de batterie développées, la robustesse (mesurée en nombre de cycles de charge) et la rétention de capacité sont considérées comme les critères les plus importants pour les tests normalisés des batteries. Les objectifs de l’industrie pour ces critères sont généralement de 700 cycles de charge avec une rétention de capacité de 80 %.
La batterie de QuantumScape a dépassé à la fois les objectifs des tests, en réalisant avec succès 1 000 cycles de charge avec un vieillissement marginal, en maintenant 95 % de sa capacité nominale de stockage d’énergie.
Cellule prototype à 24 couches. Image utilisée avec l’aimable autorisation de QuantumScape
En termes pratiques, ce résultat indique qu’un VE typique utilisant les nouvelles batteries pourrait parcourir jusqu’à 500 000 km sans perte significative d’autonomie entre les charges.
Prochaines étapes pour les batteries à état solide
Le plus grand défi à l’adoption des batteries à état solide dans les VE est le développement de processus de fabrication à grande échelle. C’est l’objectif suivant pour VW et QuantumScape. Heureusement, les cellules de batterie testées dans le programme le plus récent étaient composées de 24 couches, soit le même nombre prévu pour les cellules de production en série.