بطاريات الحالة الصلبة على بُعد ثلاث سنوات — وهذا حالها منذ عقد كامل

الحالة الفيزيائية الأساسية لبطاريات الحالة الصلبة قوية. استبدال الإلكتروليت السائل في خلية الليثيوم أيون التقليدية بمادة صلبة يزيل نمط الفشل الأساسي الذي يسبب الحرائق (الإلكتروليت السائل قابل للاشتعال)، ويتيح استخدام أنودات الليثيوم المعدنية (التي تخزن حوالي 10 أضعاف كمية الليثيوم لكل وحدة حجم مقارنة بالجرافيت)، ويمكن أن تدعم المزيد من دورات الشحن. الحد النظري لكثافة الطاقة لخلية الحالة الصلبة المزودة بأنود من الليثيوم المعدني يبلغ حوالي 500 واط/كجم — أي ضعف أفضل الخلايا في السيارات الكهربائية الحالية تقريبًا. المشكلة هي سد الفجوة بين الحد النظري والمنتج القابل للتصنيع.

ما الذي منعها فعليًا

التحدي الأساسي في التصنيع هو الواجهة بين الإلكتروليت الصلب والأقطاب الكهربائية. في خلية الإلكتروليت السائل، يملأ الإلكتروليت الفجوات المجهرية بين جزيئات القطب بشكل متجانس. لا يمكن للإلكتروليت الصلب القيام بذلك دون ضغط هائل (لإجبار التلامس المادي) أو ترسيب طبقات رقيقة جدًا على نطاق واسع (وهو بطيء ومكلف). أثناء الشحن، يترسب الليثيوم المعدني بشكل غير متساو على الأنود، مما يخلق هياكل تسمى التشعبات التي تنمو عبر الإلكتروليت الصلب وتتسبب في النهاية في حدوث ماس كهربائي للخلية.

يستخدم نهج QuantumScape فاصلًا سيراميكيًا رقيقًا دون أي مادة أنود على الإطلاق أثناء التجميع الأولي — حيث يتشكل أنود الليثيوم المعدني في الموقع أثناء الشحنة الأولى. هذا يلغي مشكلة بدء التشعبات على سطح الأنود ويسمح بخلية رقيقة جدًا. أظهرت الشركة خلايا تتحمل أكثر من 1000 دورة مع احتفاظ بنسبة 80٪ من السعة بمعدلات شحن سريعة، وقد نُشرت هذه النتائج في شكل مراجعة الأقران في مجلة Nature Energy عام 2022. العقبة كانت في توسيع نطاق هذه العملية: خط ما قبل الإنتاج QS-0 من QuantumScape ينتج خلايا عينة منذ أواخر عام 2023 لاختبارات التأهيل في السيارات بالتعاون مع مجموعة فولكسفاغن، المستثمر الرئيسي فيها. من المتوقع الحصول على تأهيل الإنتاج الكامل في عام 2025، مع الحاجة إلى منشأة منفصلة وجدول زمني خاص للتصنيع عالي الحجم.