QuantumScapeは2026年11月11日、硫化物系固体電解質を用いた正極と独自のセラミックセパレーターを組み合わせる全固体電池の開発基盤「Osprey」を発表した。従来のQSEプラットフォームでは正極内部に液体電解質を使用していたが、Ospreyではこれを固体電解質に置き換える。顧客が独自に開発した正極を組み込める設計を採用し、電池メーカーや自動車メーカーとの協業拡大を目指す。ただし、セルの製造工程は現時点で研究室規模の実証段階にあり、量産化にはなお課題が残る。
同社は、30℃、外部から加える圧力が1気圧という条件で1,000回の充放電を繰り返した後も、初期容量の約80%を維持したと報告している。また、約5分の急速充電や高容量の厚い正極についても試験結果を公表したが、これらは異なる条件で得られた成果だ。各試験の条件と結果を比較すると、Ospreyの技術的な可能性と、実用化までに検証が必要な点が明らかになる。
硫化物系電解質を正極に採用し、リチウム金属との界面にはセラミックを使用
Ospreyは、セラミックセパレーター、硫化物系固体電解質を用いた正極、両者を組み合わせる製造工程の3つを柱とする開発基盤だ。従来のQSEプラットフォームを採用するQSE-5では、高ニッケルNMC正極の内部に液体電解質を使用していた。Ospreyでは、正極内部でリチウムイオンを伝導する電解質を硫化物系の固体材料に変更することで、液体電解質を使わない全固体構造を採用している。
一方、独自のセラミックセパレーターと「アノードフリー」設計は従来方式から引き継いでいる。アノードフリーとは、製造時には負極活物質を設けず、初回充電時にリチウム金属を析出させて負極を形成する設計を指す。電池の動作中も負極が存在しないという意味ではなく、製造時にリチウム金属などの負極活物質をあらかじめ組み込まないことが特徴だ。
QuantumScapeによると、硫化物系固体電解質はリチウムイオン伝導性が高く、加工しやすいという利点がある。しかし、リチウム金属と直接接触すると化学反応が生じやすく、安定した界面接触を維持するために圧力が必要になるほか、リチウムの樹枝状析出物であるデンドライトへの対策も課題となる。Ospreyでは、硫化物系電解質を正極内部に使用し、リチウム金属と接する部分にはセラミックセパレーターを配置することで、それぞれの材料の特性を生かす構成とした。ただし、固体電解質と正極材料の界面で生じる抵抗など、全固体電池に固有の課題がすべて解消されたわけではない。
1,000サイクルの寿命と5分充電を実証、ただし試験条件は異なる
QuantumScapeが公表したOspreyの性能データには、1,000サイクルの寿命、約5分の急速充電、低温特性、厚い正極の動作実績が含まれる。ただし、これらは温度、セル構成、正極の面積当たり容量、印加圧力などが異なる条件で測定されたものだ。特に、寿命試験と急速充電試験は正極の寸法、層数、印加圧力が共通しているものの、温度と正極の面積当たり容量が異なる。また、最大約1,100Wh/Lというエネルギー密度は大型セルに向けた設計予測であり、実測値ではない。
以下の表は、QuantumScapeが11月11日に公開したホワイトペーパーと各試験データを整理したものだ。異なる試験の結果を組み合わせ、単一のセルがすべての性能を同時に満たすと解釈することはできない。
| 確認項目 | 成果・予測値 | 試験温度 | セル構成・正極の面積当たり容量 | 印加圧力 | 出典 |
|---|---|---|---|---|---|
| 寿命特性 | 1,000サイクル後に約80%の容量を維持。充電1C CC-CV、放電1C CC、充電状態0〜100% | 30℃ | 正極50×65mm、2層、5.5mAh/cm² | 1気圧 | 寿命試験図 |
| 急速充電 | 充電状態10%から80%まで約5分、10C | 80℃ | 正極50×65mm、2層、5.9mAh/cm² | 1気圧 | 急速充電試験図 |
| 低温特性 | 25℃での容量を基準に、−20℃で68%、0℃で85% | −20℃、0℃、比較対象25℃ | 正極21×21mm、1層、5.5mAh/cm²、C/3程度のパルス充放電 | 1気圧 | 低温試験図 |
| 厚い正極 | 放電試験で最大10.5mAh/cm²、100サイクル試験で最大9.5mAh/cm² | 30℃ | 直径11mm、1層 | 3気圧 | 厚い正極の試験図 |
| 高エネルギー密度設計 | 最大約1,100Wh/L | 実測条件の提示なし | 大型セル向けの設計予測 | 実測条件の提示なし | 同社ホワイトペーパー |
充放電レートを示す「1C」は、定電流で全容量を約1時間で充放電する場合に相当する。なお、表にある1気圧はセルに外部から加えた圧力を指しており、大気中に置いた無加圧の状態と同じではない。寿命試験では1Cで充放電しているため、約5分の急速充電を1,000回繰り返しても同じ容量維持率が得られると確認されたわけではない。
急速充電の試験では、セルの温度が80℃に設定されていた点にも注意が必要だ。電気自動車向け電池の実用性を評価するうえで試験温度は重要な条件であり、Electrekも、この温度条件を発表リリースで明示すべきだったと指摘している。したがって、一般的な使用環境でも同様に5分充電が可能だと判断することはできない。
低温特性についても、別の小型1層セルを使った試験であり、低温環境での5分充電を実証したものではない。試験図の脚注によると、充電にはC/3のパルス充電と定電圧充電を組み合わせ、放電にもC/3のパルスを使用している。この結果は低温での容量特性を示すものだが、低温急速充電の安全性や、連続的な高出力動作を保証するものではない。
厚い正極によって積層数を削減し、エネルギー密度の向上を狙う
Ospreyのもう一つの特徴は、正極の面積当たり容量を高める設計だ。面積当たり容量を増やせば、同じ電池容量を確保するために必要な電極の積層数を減らせる可能性がある。積層数が減れば、集電体など発電・蓄電に直接寄与しない部材の割合を抑えられるため、セル全体のエネルギー密度向上につながる。QuantumScapeは約10mAh/cm²の厚い正極を使った試験結果を示すとともに、独自の乾式製造工程によって正極材料をロール状で扱い、集電体に貼り合わせる工程の可能性を説明している。
ただし、厚い正極の試験は直径11mmの単層セルに3気圧の圧力を加えた条件で行われている。1気圧で実施した寿命試験や急速充電試験とは条件が異なり、大面積・多層セルで同じ性能を得られるかは確認されていない。また、QuantumScapeが示した最大約1,100Wh/Lというエネルギー密度も、現時点では大型セル向けの設計予測であり、実際に製造した大型セルの測定結果ではない。この数値はセル単体の体積エネルギー密度を想定したもので、冷却装置や構造部材などを含む電池パック全体の密度を示すものでもない。
同社が公表した約5分の急速充電は出力性能を重視した設計に対応し、最大約1,100Wh/Lはエネルギー密度を優先した別の設計に対応する。したがって、両方の性能を同時に備えた量産セルが完成したと解釈することはできない。実用化に向けては、用途ごとに急速充電性能とエネルギー密度のどちらを重視するかを判断し、それぞれに適したセル設計を確立する必要がある。
顧客独自の正極を採用可能に、量産化には大型セルと製造工程の検証が必要
QuantumScapeは、従来のQSEプラットフォームで一体的な技術開発と量産規模への拡張を進める一方、Ospreyでは顧客が独自に開発した正極材料や既存の供給網を活用できる協業モデルを打ち出している。同社によると、自社開発の正極だけでなく、自動車メーカーの顧客が開発した正極についても試験を実施済みだ。これにより、顧客は自社の材料開発成果を生かしながら、QuantumScapeのセラミックセパレーターやアノードフリー技術と組み合わせた全固体電池を検討できる。なお、Ospreyの「オープン」は材料や設計の組み合わせに柔軟性を持たせるという意味であり、技術のオープンソース化や無償公開を発表したものではない。
この方式は、硫化物系固体電解質を使う正極の開発を進めてきた自動車メーカーや電池メーカーにとって、新たな選択肢となる可能性がある。既存の正極材料や供給網を活用できれば、すべての材料をQuantumScapeの仕様に合わせて新規開発する場合とは異なる商業化の道筋を描ける。ただし、実用的な大型角形セルを製造するには、電極面積を広げ、積層数を増やした場合でも、界面抵抗や充放電性能、寿命を適切に管理できることが求められる。
製造工程についても、まだ量産に必要な段階には達していない。QuantumScapeは、Ospreyのセルを製造する基本工程について研究室規模での実証を終え、現在は処理量を高める工程の開発を進めていると説明している。今回の発表では量産開始時期は示されておらず、実際の製造コストや歩留まりも明らかになっていない。さらに、80℃で得られた急速充電性能を実用環境で活用する場合には、セルの加熱に必要なエネルギーや温度管理の負担も検討しなければならない。
現時点で公表されている性能値は、QuantumScapeによる初期段階の実験結果と設計予測に基づくものであり、第三者による再現性の検証や量産規模の大型セルでの性能確認は行われていない。それでも、硫化物系固体電解質を使う正極とセラミックセパレーターを組み合わせ、顧客独自の正極も採用できるOspreyは、全固体電池の開発と商業化に新たな選択肢を加えるものだ。今後は、大面積・多層セルでの性能維持と、高い処理量を持つ製造工程の確立が、協業先による採用判断を左右する重要な条件となる。
