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固态电池战争走上台前

北极星储能网  来源:建约车评    2021/1/21 9:52:26  我要投稿  

北极星储能网讯:“锂离子电池为第一代电动汽车提供了动力,扮演了重要的铺路石角色。而我们相信,QuantumScape的锂金属固态电池,将会为汽车产业打开新一代电池技术的大门,为交通行业的全面电动化铺平道路。”

本文来源:微信公众号 建约车评 ID:jianyuecheping 作者:张健

2020年12月8日,美国固态电池初创公司QuantumScape(QS)创始人兼CEO贾格迪普·辛格(Jagdeep Singh)向外界发出如上宣言。

这个得到大众汽车重注支持的固态电池企业,之所以选择在这一时刻高调发声,是因为在不久之前的11月底,QS以33亿美元估值在纽交所正式上市,成为“固态电池全球第一股”。

辛格的发言,出现在QS首次公布其电池测试结果的网络发布会上。

根据辛格的介绍,QS开发的锂金属固态电池,成功解决了电动汽车动力电池的5大痛点:成本、续航、充电时间、循环寿命和安全性。

在QS展示的测试结果中,一些核心信息包括:

•充电至80%仅需15分钟以下

•800次充放电循环后,电池容量衰减低于20%

•续航里程比锂离子电池驱动的电动汽车提升80%以上

消息发布当日,QS股价大涨31.08%;此后半个月,这家营收为零、且未来4-5年内都将不会有营收的公司,股价却一路飙升,市值一度接近480亿美元,超过福特、菲亚特克莱斯勒等汽车制造商。

QS之所以备受业界关注,源自于电动汽车行业对下一代电池技术的翘首期盼。

当前的电动汽车,在安全性、续航里程、充电速度和成本方面无法令人满意,很大程度上源自于电池技术的不成熟。

在可见的范畴,固态电池是最有潜力解决以上问题,并一举颠覆电池业和汽车业的电池技术。

抓住“下一代电池技术”,就意味着抓住了在电动车时代存活下去的命脉。因此,对于固态电池这一“电池技术的圣杯”,世界上所有的车企都趋之若鹜。

而对第三方电池生产商而言,颠覆性的电池技术,将意味着颠覆性的产业环境,同样是关乎生死的命题。

一、固态电池的“执念”

固态电池被许多人看作锂电池技术发展的下一代方案,原因主要有以下几方面:

1. 能量密度高:采用锂金属作为电池负极,可显著提升电池能量密度。

在当前的三元锂电体系下,高镍正极与硅碳负极的组合,已经是能量密度的理论顶点。

以高电压层状过渡金属氧化物做正极、石墨做负极的锂离子电池,其质量能量密度理论极限约为300Wh/kg——当前以松下/特斯拉NCA为代表的高镍三元材料体系,电芯能量密度达260Wh/kg,正在接近这一极限。

若引入硅基合金代替纯石墨做负极,则能量密度理论上限约可提升至400Wh/kg。

要想进一步提高能量密度,须采用金属锂做负极。目前普遍使用的石墨负极材料的理论比容量仅为372mAh/g,而金属锂的理论比容量为3860mAh/g,锂金属电池能量密度的理论上限可达500Wh/kg以上。

要使用金属锂做负极,就必须将热稳定性差、易燃易漏、易在锂金属表面产生分解从而缩短电池寿命的液态电解质,替换为固态电解质。

去除电解液之后,锂电池的正负极和电解质均为固态,“固态电池”由此得名。

2. 安全性高:固态电解质具有不可燃、耐高温、无腐蚀、不挥发等特性,因此从材料的本征特性上根除了传统锂离子电池中电解液泄漏、电极短路等安全隐患。

由于电动汽车起火事故多是因动力电池正负极短路所致,锂电池苦电解液久矣。

3. 电化学窗口宽:充电时采用更高电压,意味着能够脱出更多的锂。

液态电解质在电压超过4.4V时会被氧化,为电池带来安全风险的同时,三元材料的正极表面也会发生不可逆的相变;而固态电解质能够支撑5V以上的电化学窗口,可适应更高电压型的电极材料。

此外,更高的电压还意味着可在单体电芯内部进行串联,从而将单体电芯做得更大。大电芯化、去模组化,是当前动力电池包设计的主流趋势,由于大量不参与化学反应的模组壳体和冗余材料被去除,电池包的成组效率进一步提升,从而提高能量密度、降低成本。

4. 成本下降空间大:理论上看,锂金属固态电池成组效率更高、采用的材料更少、结构更简单,生产工艺流程有望得到简化;相应地,电池包的保护系统、冷却系统、BMS等均可得到简化。

因此,固态电池实现量产后有望在材料和生产工艺两个方面,实现比传统锂离子电池更低的成本。

针对电动汽车在续航、安全性和成本等方面的短板,固态电池在理论上都具备绝对优势。正因为此,业界一直对固态电池寄予厚望,认为其终将替代当前以液态电解质为基础的锂离子电池。

然而,在享受丰硕果实之前,人们还需经历漫长的等待。

锂金属固态电池的设想出现于20世纪70年代,40多年过去,至今尚未有人开发出可供大批量生产的固态电池产品。

根据材料划分,固态电解质主要可分为聚合物、氧化物和硫化物三种体系。

难点在于,无论哪一种材料类别,均无法在解决低电导率、低能量密度、低稳定性、高昂成本、低电压和锂枝晶等问题之间找到平衡点。

不同类型固态电解质材料对比(来源:中金公司)

传统液态电解质的室温离子电导率约为10-2S/cm,与之相比,无论是聚合物、氧化物还是硫化物材料体系,均存在数量级上的差距。

此外,固态电解质与电极之间的”固-固”界面,接触紧密性较差,且会产生远高于传统“液-固”界面的阻抗,使得锂离子在界面之间的传输受阻。

低离子电导率和高界面阻抗导致的高内阻,使得锂离子在固态电池内部传输效率低,在高倍率大电流下的传输能力差,因此会影响电池的快充性能。

综上原因,找寻理想的固态电解质材料,是一项异常艰巨的任务。拥有30年以上固态电池研究经验的东京工业大学教授Ryoji Kanno将其比喻为“在浩瀚大海中捕捞一条无法获知其定位的鱼”——难度近同于大海捞针。

值得提及的是,一些企业通过在固态电解质中掺杂液态电解质,可在一定程度上改善电导率低的问题。

但由于锂金属极度活跃的特性,液态电解质与锂金属负极之间又会出现新的界面问题和稳定性问题。

因此,负极材料的选择,很可能无法直接跨越至锂金属,而是以石墨掺硅、硅替代石墨这样的渐进方式,寻找既提高能量密度又保持稳定性和安全性的材料体系。

全固态电池的实现或许无法一蹴而就,而是要经过“半固态-准固态-全固态”的逐步迭代方能实现。

二、行业现状

全球范围内,对电池技术拥有远大抱负的企业,都在前赴后继地投身固态电池研发。

有趣的是,包括丰田、大众、宝马和福特,以及刚刚宣布入局汽车领域的富士康(苹果),均将实现固态电池量产的时间节点,设定在2025年前后。

若以上企业中的任何一家能够成功实现这一目标,都可能为动力电池行业带来天翻地覆的变化。

电芯能量密度达到500Wh/kg,将意味着电动汽车续航里程可轻松达到1200km以上的级别。

如此大幅的能量密度提升,是现有材料体系下的锂离子电池无法企及的。若再加上4C倍率充电,固态电池将以不可抗拒的性能优势,率先从高端车型开始搭载,并对整个交通领域的动力电池装机展开替换攻势。

规模效应形成之后,由于固态电池所用的材料更少、生产工艺可能更简单,其将拥有足够的空间下探至比液态电解质锂电池更低的成本。

届时,整个动力电池产业链,将不得不面临向固态电池产业链转型融合——否则将被替换——的严峻局面。

尽管前景令人心潮澎湃,但固态电池(准确地说:全固态电池)在当前的进展,并不足以让人感到乐观。

早在2011年,法国公司Bolloré就将自主研发的聚合物固态电池搭载在了名为Bluecar电动汽车上。Bluecar在巴黎汽车共享服务项目Autolib中共投放约2900辆,成为全球首个采用全固态锂电池的电动车型。

然而,由于聚合物材料体系对运行温度要求高,需要在80℃下工作,电池包需配备额外的加热系统,因此整体能量密度仅100Wh/kg,相比液态电解质锂电池并无优势可言。

在另外两条固态电池技术路线上,就连能够搭载样车进行测试的案例都凤毛麟角。

最为人所知的丰田汽车,已积累多年固态电池研发经验,至今却公布信息寥寥。最新的进展是,丰田宣布将在东京奥运会上展示其搭载固态电池的样车,正式量产则要在2025年前后。

QuantumScape是全球第一家固态电池上市公司,其在股票市场引发的关注,将固态电池战争由幕后推上了台前。

或许在QS的助推下,我们也有望看到丰田向外界披露更多其固态电池技术的秘密。

三、又一家“期货”上市公司

QuantumScape究竟是何来头?

2008年,作为特斯拉Roadster首批车主,贾格迪普·辛格每天驾驶这辆颠覆了人们对电动汽车认知的超跑上下班。

尽管对这辆电动车非常喜欢,但他发现车辆在使用过程中出现的绝大多数问题,都与车上的电池系统有关。

辛格由此产生了投身电池领域的想法,作为曾成功创建上市公司Infinera Corp.的计算机科学家,他放弃了公司CEO的职位,加入Khosla Ventures风投公司,孕育创业动力电池的想法。

2010年,辛格与来自斯坦福大学的教授Fritz Prinz和Tim Holme共同创立QuantumScape公司,开始进行固态电池研发。

凭借来自斯坦福大学的技术团队,QS很快得到了明星风险投资人约翰·杜尔的支持,接着比尔·盖茨也加入进来。

2012年,大众汽车向QS投资1亿美元。其时的电动汽车技术路线选择并不明朗,随着丰田着手研究固态电池技术的消息传出,大众对QS的投资更多是一种谨慎跟随的战术。

经过5年研究,QS的团队于2015年确定了其固态电解质的材料体系,研发重点转向对这一材料体系的优化和生产工艺研究。

2018年6月,大众与QS宣布成立合资公司QSV Operations LLC,双方各持股50%,希望通过共同的“长期计划”,实现QS固态电池的商业化生产,其时预计的量产时间是2025年。

2020年6月,大众向QS追加2亿美元投资,并以持股23%成为QS最大股东。此外,KPCB、上汽、大陆集团等公司和风险基金也陆续加入QS的投资人行列。

这一年,中国和欧洲的电动汽车市场,在经历疫情蹂躏后呈现出强大的增长势头,全球汽车行业向电动化转型的步伐超出预期,促使大众加注布局动力电池领域。

这一年,以特斯拉为首的新能源汽车企业在美股市场煞是风光。

借此大势,美国的一众新能源汽车和充电桩企业,通过与SPAC(特殊目的收购公司)合并的方式完成IPO上市,2020年由此被称为“SPAC之年”。

2020年11月27日,QS通过与Kensington Capital合并,在纽交所成功上市,赶上了SPAC之年的末班车,也首次将电池类企业加入了“SPAC群体”的名单之中。

根据QS于2020年12月17日发布的招股书中显示,该公司目前拥有275名员工,其计划通过与大众的合作,于2024年建立1GWh试生产线,并通过首先在大众高端车型上搭载,实现其锂金属固态电池的商业化量产。

此后,作为产能建设的第二期,QS计划将其固态电池产能扩展至20GWh。

辛格表示,大众计划在2025年销售300万辆电动汽车,若以高端车单车带电量100kWh计,这将意味着300GWh动力电池需求,因此即使QS于2025年实现20GWh产能,其将仅占大众所需动力电池的6.7%。

辛格同时还表示,双方的合作协议中并未包含限制性条款,QS对与大众汽车之外其他车企的合作持开放态度。

这家至少在2024年以前都不会有任何推向市场的产品、也不会有销售收入的公司,声称“已经解决了固态电池商业化面临的主要问题”,并获得了超越福特汽车的市值,令人感叹资本市场的疯狂。

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