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四、QuantumScape究竟取得了什么突破
QS开发的固态电池技术,使用一种陶瓷材料的固态隔膜,代替传统的液态电解质和多孔隔膜,同时取消了传统锂离子电池中的石墨负极。
亦即是说,在生产环节,电芯结构中不存在负极。当电池首次充电时,从正极材料中析出的锂穿过隔膜层,并在负极集流体表面聚集形成临时的锂金属负极。
当电池放电时,锂离子重新回到正极,这层临时组建的负极消失,周而往复。
辛格介绍道,这层隔膜所使用的陶瓷材料体系,正是QS技术的核心所在。其所扮演的角色相当于传统锂离子电池中的液态电解质+隔膜,既具有像液态电解质一样的电导率和极高的化学稳定性,同时还能抵抗锂枝晶的破坏。
QS使用的正极材料,是在传统镍钴锰(NCM)三元材料的基础上加入由有机聚合物组成的胶状物。未来QS还计划研发全固态的正极材料,以替代该胶状聚合物。
将隔膜布置在正极材料与负极集流体之间,并剪裁为85*70mm的长方形卡片,即形成了QS此次用于测试的单体叠片。
QS表示,据其所知,该叠片是历史上首个被世界领先车企(大众)在车用功率密度下进行测试和验证的固态电池单体(丰田在此处表示强烈抗议?)
在12月8日的视频发布会上,辛格重点介绍了该单体叠片在快充、安全、低温、寿命等方面的测试表现。
快充速度方面,与使用碳/硅材料做负极的锂离子电池充电80%约需40分钟相比,QS的单体叠片仅需不到15分钟即可充电至80%。
循环寿命方面,QS的单体叠片在30℃温度条件下,以三倍于车用充放电频率的加速测试,经过包括以1C倍率进行100%放电等“商用标准”测试条件的考验后,能够实现在800次循环(相当于行驶约38.6万公里)后,电池容量衰减低于20%。
为了证明该电池在低温条件下同样能够保持良好的衰减率,QS还展示了在-10℃低温条件下,以5C倍率充电、3C倍率放电的电池衰减情况。结果显示,在约110次充放电循环后,电池容量衰减约为5%。
此外,QS还以电池重量比能量的衰减作为对比参数,展示了其单体叠片对极端低温条件的耐受能力。结果显示,在-30℃低温下,该单体叠片的重量比能量约比0℃条件下衰减30%——与之对应的是,传统锂离子电池在-25℃下,这一衰减比率达到50%以上。
当在采访中被问及开发过程中最大的挑战时,辛格表示,寻找固态电解质材料时最大的困难是解决锂枝晶问题——这也是困扰无数电化学研究者的“世纪难题”。
说到此,辛格向记者讲了一件趣事:在长达数年的时间里,QS公司的一名工程师每年都会在公司举办的万圣节Party上假扮成锂枝晶形状的怪物,每一次都会让这支以研发人员组成的群体感到毛骨悚然。
锂枝晶的形成,会大大阻碍锂电池在电流密度方面的性能。电流密度越大,越容易形成锂枝晶,并穿透隔膜造成正负极短路。
QS声称其已解决了锂枝晶的问题。
根据QS在相关测试中的结果显示,以4C倍率完成15分钟充至80%的条件下,电流密度约为16mA/cm2,对应形成的锂镀层厚度约为15μm。
仿真测试显示,QS的固态隔膜,即使在电流密度达到100mA/cm2、充电倍率高达25C时,锂镀层厚度也仅为30μm——理论上说,只要锂镀层厚度不超过隔膜层的厚度,便不会出现锂枝晶穿透隔膜的现象。
安全性方面,由于陶瓷无机材料本身不可燃,避免了液态电解质起火、爆炸的风险;在耐高温测试中,QS陶瓷隔膜在250℃与熔融锂的直接接触中保持稳定,远高于锂的熔点(180℃)。
此外,由于传统锂离子电池中以石墨/碳为主体材料的负极不复存在,原由负极材料占据的大量空间被节省出来,电池的体积能量密度和质量能量密度均可得到大幅提升——QS在招股书中表示,相比当前的锂离子电池,其固态电池能量密度提升可达80%。
而因使用材料更少、制造成本和原材料成本降低,QS测算其固态电池成本将比传统锂离子电池下降17%。
五、挑战重重
QS的成果在业界内受到了广泛关注。除了大众和比尔·盖茨的背书和支持外,2019年诺贝尔奖得主、“锂电之父”斯坦利·威廷汉也出面为其站台。
而作为QS董事会成员的特斯拉联合创始人、前CTO杰弗里·斯特劳贝尔(J.B. Straubel),更是不吝赞美之词:
“动力电池的很多性能,取决于如何在避免锂枝晶前提下的‘可运作窗口’中找到最好的平衡。特斯拉的最大成就之一,就是在这一窗口中将很多性能做到了极致;过去几年里,锂离子电池领域的性能提升,每年如果能有个位数的突破就已经非常了不起,而QS实现的50%以上的提升,简直令人赞叹!”
尽管如此,QS公布的技术成果和未来规划,无论在信息完整性还是准确性上,都受到了大量质疑。
首先,QS所展示的所有性能均以单体叠片的测试结果作为依据,而并非真正的电芯,更遑论电池包乃至整车层面。
众所周知,对于电池材料体系的研究,试验室结果与商业化应用相隔甚远。在实现了“1%的可能性”之后,要将其变成99%甚至100%的可靠应用,往往需要多年的试错和改进。
曾在特斯拉负责Roadster电池系统开发的科学家、现Sila Nanotech公司创始人兼CEO吉恩·贝尔迪切夫斯基(Gene Berdichevsky)认为:
“在面积很小的(<0.01m2)电解质表面实现很高的均匀性和长寿命是相对容易的,因为从统计学上讲,可以制造出没有缺陷的小电池……但要在电解质面积达到500m2、需要快速充电的汽车电池中避免制造缺陷,则需使用制造电子芯片的纳米级精度的设备和工艺,但是对于电池而言,那太过昂贵了……在过去十年里,人们已经进行了许多尝试,但都没有成功,即使开发出了良好的、无缺陷的电解质,也可能不够……”
对此,辛格承认批量生产和商业化应用的确是“另一个层面上的挑战”,但他坚信,既然QS已经找到了正确的材料,就意味着具备了成功的基础条件。在他看来,如何实现固态电池的生产,毕竟是“工程层面的问题”,而不再有“科学层面的障碍”。
这样的表态,难免被制造业人士嗤为“天真的学院派想法”。
其次,QS所称的“陶瓷材料”定义过于模糊,并未提供具有足够理论支撑的技术细节。
尽管QS将之解释为“因涉及公司核心技术机密,不便公布更多细节”,但随着技术研发向商业化推进,QS的技术细节越模糊,就越会不断受到挑战和质疑。
辛格对此直白地表示,QS团队将专注于开发其固态电池的生产工艺,不会过分在意外界的质疑,因为“说到底,QS是为客户和股东而存在的,并不需要关注其他人怎么看”。
尽管QS对其材料体系讳莫如深,但据中金研究院分析,从QS对其固态电池正极材料、隔膜层厚度和锂金属负极的描述,以及公开信息中QS的专利布局来看,QS采用的固态电池路线很可能为氧化物体系下的锆酸镧锂(LLZO)石榴石状氧化物。
石榴石状固态电解质是氧化物体系中的一种统称,主要指一系列x酸镧锂化合物,其中的x一般为稀土金属镓、铌或锆。
该体系在目前所有固态电解质体系中对锂金属适用性最好,同时可以做成隔膜状产品,相对的电池形体柔性较好。
但该体系的缺点同样明显:电导率有限、界面问题突出、能量密度提升空间有限,且制备难度很大。
若QS使用的材料果真为石榴石状氧化物体系,则其所宣传的电导率高、能量密度比传统锂离子电池提高80%、正极材料生产可与当前NCM三元电池集成等优势,均需进一步验证。
再次,在固态电池的赛道上,QS面临激烈的竞争。
如前文所述,除了已在固态电池领域布局近20年、宣称将在2025年量产的丰田之外,几乎所有志存高远的车企和电池生产商,都是这条赛道上的竞争者。
其中,不仅有宝马和福特投资、同为美国初创公司的Solid Power,甚至连跨界造车失败的戴森,却始终对固态电池技术念念不忘,于2015年收购固态电池公司Sakti3,继续追梦。
在中国,包括动力电池巨无霸宁德时代、锂资源巨头赣锋锂业,以及从消费电子领域拓展而来的辉能科技等企业,均在大力投入固态电池研发。
在拿出令人信服、可供量产的产品之前,QS并无法证明自己具备明显的优势。
而如今已成为美股上市公司的QS,将负有更多义务向公众开放信息,其所进行的研发投资和每一步计划的实施、进展或延迟,都将被暴露在聚光灯下。
为保持股东和资本市场的信心,QS必须努力达成每一个里程碑节点,以保持健康的股市表现、维持良好的生存环境。
更高的曝光度将成为双刃剑,既可能为QS带来更高的估值和融资,同时也会赋之以更大期待和压力。
与此同时,QS的竞争者们,可以在这只“出头鸟”的掩护下,伺机而动。
最后,QS面临的竞争远不止于固态电池的友商们,而更是以特斯拉为代表的、坚持液态电解质路线或开拓其他技术方案的电池生产商。
根据特斯拉在2020年“电池日”上的介绍,其将推出的4680圆柱形电池,通过电芯设计、生产工艺、正负极材料和电池包集成等多方面优化,将实现56%成本下降,以及54%续驶里程提升。
以上计划的实现,意味着动力电池成本将逼近50美元/kWh,电动车续航里程将达到800km以上级别。
虽然特斯拉并未给出具体的时间表,但声称2030年电池产能将达3 TWh(3000GWh)的马斯克,一定不会允许到2030年还无法实现以上目标的情况发生。
根据QS在招股书中的预测,其2028年规划产能为91GWh(约等于特斯拉规划产能的1/33),营业额为64.4亿美元。
假设其当年销量约等于产量,则意味着2028年QS固态电池价格为70.77美元/kWh(64.4亿美元/91GWh)。
以QS预测的30%毛利率计,QS预计在2028年的固态电池成本约为49美元/kWh——这与特斯拉的成本目标非常接近。
看得出,QS正是以50美元/kWh作为其固态电池达到100GWh产能时的成本目标的。
而在当下,对QS而言,荆棘和险滩才刚刚开始在面前铺展。
2021年,辛格和他的团队将迎来迅速成长期,这意味着急速扩张的团队、飙升的费用、更多的硬件设施以及不断增多、数不胜数的工程难题。
对QS最重要的事情,是尽快将其锂金属固态电池技术变为电芯、电池组、电池包、搭载上车、进行测试,其后还需有不断的改良、试错,以及很可能更为复杂的生产工艺的开发。
在QS进行以上动作的同时,全球领先的电池生产商和车企们,每年都会成倍地扩充产能、降低成本。
更多有实力的竞争者,将会进入电池生产领域,实力有限的玩家将被淘汰,头部聚集将会愈发明显。
2021年1月4日,QS股价单日下挫40.84%,让其投资者体验了“疯狂过山车”的感觉。
在未来很长时期内,这样的体验可能会反复上演。
截至1月14日收盘,QS股价距巅峰时已经腰斩,总市值为203亿美元。
六、结语
随着全球光伏发电成本首次与火电持平,风电、光伏、核电等发电成本持续下降,人类能源体系即将加快向清洁能源转变。
与之对应的是,储能技术的创新才刚刚开始,电池技术的革新有望在未来10-20年里持续推进。
未来几年里,我们将越来越频繁地看到固态电池技术取得的进展,我们将有幸观赏这场“下一代电池技术战争”的血雨腥风。
无论最终的获胜者是谁,固态电池的未来都令人期待。
因为,人类对更高能量密度的追求,永无止境。
参考资料:
1. QuantumScape招股书
2. Gene Berdichevsky: The Future of Energy Storage
3. 中金:简析固态电池潜力路线
4. 王凌方:《锂电池宿命:绕不过的固态电池》
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