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能量密度/成本/安全都比不上现有电池 大众投资的QuantumScape固态电池恐应用难

北极星储能网  来源:NE时代    2021/1/19 8:54:56  我要投稿  

北极星储能网讯:固态电池会比今天的锂离子电池贵得多,并且永远不会比当代锂离子电池成本更低~

本文来源:微信公众号 NE时代 ID:NEtimes2017

本译文原文由Soteria电池创新集团(BIG)现任CEO Brian Morin博士所创,发布于SeekingAlpha网站。同时他还担任着担任国家先进技术电池联盟(National Alliance for Advanced Technology Batteries)的董事和副总裁。

Brian Morin拥有俄亥俄州立大学材料物理学博士学位,在分子磁体、塑料添加剂、高级纤维和锂离子电池等领域撰写了250多项全球专利申请。

先说结论:

•QuantumScape的科学研究非常出色;

•但是他们的电池体积小且未经验证——尚未达到iWatch电池的大小,并且从未在实验室外进行过测试;

•与固态电池相关的重大风险尚未克服;

•他们可能永远无法实现宣称的性能。

考虑到QuantumScape最近的IPO以及随后的股价上涨,讨论他们取得的成功以及为在实现业绩过程中面临的重大挑战是非常有趣的。在本文中,作者主要讨论了与成功打造固态电池有关的技术问题。

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QS固态电池技术解读

首先,要强调的一点是,制造一款能够满足实际应用对各种速率和工作温度需求的固态电池很难——非常、极其的难。实际上,难到至今为止没有做出来的。我阅读了数十篇研究论文,发现尝试过的科学家有能力使一个或多个功能发挥作用,但他们为无法打造出一款动力电池的完成品而道歉,并随即提出今后面临的挑战。下面是QuantumScape技术的解读,到目前为止包含:

电解质:一种位于正负极之间的自支撑稀薄固态电解质。尽管我们了解的不多,但它确实提供了一些相关的性能。

软包电芯:正常工作的单层软包电池,尺寸为70 * 85 mm,单位面积容量为3.2 mAh/cm2,总容量有190mAh。相比之下,iWatch电池容量为205mAh,iPhone 12 Pro电池为3,768 mAh。因此,它需要12块软包电池为手机供电,要为一辆特斯拉提供能量需要10万块。

锂金属负极:使用一层薄锂金属负极,有助于实现高能量密度……总有一天。

快速充电:15分钟充满80%,是一个很大的挑战。快速充电速率下,固态电解质会产生枝晶。

技术过于夸大

他们的固态电池在如下领域里算得上成功,因为相比过去的固态电池要好得多。但是对于现实世界的电动汽车,它们是完全不被接受的。

功率:QuantumScape完成了车企指定的90秒1200次工况循环仿真,放电倍率是6C。其中9次循环工程中完成完全放电,然后电池被加热到45度,在15分钟完成80% SOC。在130次全放电深度(FDOD)循环测试中,电池损失了约10%的容量。这意味着电池只能持续260次FDOD循环或大约75,000英里的驾驶。PPT上有一条注释,指出发生在3.4 atm,这可能意味着处于高压状态。


续航:在30摄氏度下以更温和的1C / 1C循环,电池可以进行800次循环(即24万英里)。这是一个相当数量的续航,但并不比今天路面上的车辆好。

低温运行:它们展示了0到-30摄氏度下的放电曲线,有效比容量达到90-130 mAh/g。与NMC811 200 Ah/kg的有效比容量相比,它的可用电流为室温容量的45-65%,但会伴随着明显的电压降。基于电压降、容量损失和低速率,我估计在寒冷的月份续航会损失50%至80%。另外,请注意,固态电池对温度非常敏感。因此,如果在更低的温度下运行,30至45度条件下进行的功率和循环测试会变得更加糟糕。

低温寿命:它们在-10摄氏度下显示100次左右的循环,相当好,除了这些循环是在C/5充电和C/3放电下实现的。因此,不是在15分钟内充电80%,而是在15分钟内充电5%。

能量密度:他们谈论能够达到400 Wh/kg的能量密度,这非常不错的。但是,他们显然还没有达成,因为测试图表中都是用百分比显示,而不是实际容量。Amprius正在打造450Wh/kg能量密度的电芯,特斯拉在电池日上宣称他们电池的能量密度可以达到350Wh/kg。因此,QS希望在2028年达到的能量密度不会超过当今的最新水平,并且在达到这一水平时也不会成为最高水平。

那些被隐藏掉的挑战

还有一些QuantumScape没有提到的挑战,这些挑战在固态电池被应用之前必须被克服。而他们已经花费了3亿美元,因此这些挑战并不是他们没有足够的资源来应对,而是他们尚未解决,不得不保持沉默。其中许多挑战来自他们使用的陶瓷电解质的事实。这些包括:

多层电芯:他们无法制造多层电芯。我的预期是,这是由于正极和固态电解质之间的界面不稳定,前者在放电时会膨胀多达10%,后者根本不会膨胀。它们可能会在高等静压力下进行循环(还记得前面提到的3.4 atm吗?),该压力不会流到内层。内层也将受到更严格的约束,因此会在循环中遭受界面腐蚀的影响。毋庸置疑,10万个小软包电池永远不会用于实际车辆。在这里必须提到的重要一点是,如果你的技术可行,制作多层软包电池会非常轻松。

振动和枝晶:电解质非常非常硬。有充分的记录表明,枝晶不会通过固体单晶石榴石电解质生长。但是,它们在晶粒边界和缺陷处自由生长。在全新的、温度和压力受控且无振动的实验室中,他们可以使电芯循环。但是在SUV粗犷的驾驶模式下或在南卡罗来纳州糟糕的道路上,裂缝等问题将变得更严重,枝晶会增加。在最好的情况下,这会破坏循环寿命,在最坏的情况下,会导致电池爆炸。

锂金属易燃:他们吹捧使用锂金属来增加能量密度,但是他们没有提到锂金属会在179摄氏度下自燃,产生200-300 kJ/mol或30-40 kJ/g的大量能量——大约是锂离子电池所含碳酸亚乙酯的三倍。纯锂是仅次于铍的第二高能元素,可以用作火箭燃料的成分(含氧化剂)。从本质上讲,它们已经取代了燃烧的隔膜和电解液,使负极更加易燃。电池中有足够的能量将锂提高到其自燃温度。如果暴露在氧气或水中,它可能会自行燃烧。正极材料中有大量氧气可用。

成本:他们声称成本较低,但实际上仅消除了最便宜的一种成分-石墨。他们需要增加制造薄陶瓷电解质并在高温下烧结的成本。我的猜测是,如果他们实现量产,产出将非常糟糕。

QS固态电池最终将用于何处?

鉴于他们迄今为止的成功和获得的资本,我认为QuantumScape将成功地把电池推向市场。然而,

•它的能量密度将比Amprius如今实现的要低;

•它可能会首先应用于手表和可穿戴设备中,然后可能出现在手机中;

•扩产所需的时间比他们想象的要长得多,并且成本要高得多;

•它将无法承受更严格的汽车级应用环境;

•它会比今天的锂离子电池贵得多,并且永远不会比当代锂离子电池成本更低;

•一旦制造出合适的电池尺寸,它可能不会比当今的锂离子电池更安全。

对QS的固态电池能有什么期望?以下是一些可以实现的目标:

•这种电池将在便携式电子产品中流行;

•这些电池可以为城市提供能量存储。


原标题:能量密度/成本/安全都比不上现有电池,大众投资的QuantumScape固态电池恐应用难

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