钜大LARGE | 点击量：728次 | 2021年05月13日
固态电池战争走上台前
“锂离子电池为第一代电动汽车供应了动力，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。”
2020年十二月八日，美国固态电池初创公司QuantumScape（QS）创始人兼CEO贾格迪普·辛格（JagdeepSingh）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公司，之所以选择在这一时刻高调发声，是因为在不久之前的十一月底，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公布会上。
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锂离子电池的5大痛点：成本、续航、充电时间、循环寿命和安全性。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
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
消息公布当日，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汽车时代存活下去的命脉。因此，有关固态电池这一“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离子电池技术发展的下一代方法，原因重要有以下几方面：
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、易在锂金属表面出现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，锂离子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锂离子电池正负极短路所致，锂离子电池苦电解液久矣。
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，是当前动力锂离子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，固态电解质重要可分为聚合物、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比较（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，且会出现远高于传统“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相关相关经验的东京工业大学教授RyojiKanno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，一些公司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公司，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。
若以上公司中的任何一家能够成功实现这一目标，都可能为动力锂离子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锂离子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离子电池更低的成本。
届时，整个动力锂离子电池产业链，将不得不面对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离子电池的电动汽车型。
然而，由于聚合物材料体系对运行温度要求高，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，相比液态电解质锂离子电池并无优势可言。
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相关相关经验，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。
尽管对这辆电动汽车非常喜欢，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。
辛格由此出现了投身电池领域的想法，作为曾成功创建上市公司InfineraCorp.的计算机科学家，他放弃了公司CEO的职位，加入KhoslaVentures风投公司，孕育创业动力锂离子电池的想法。
2010年，辛格与来自斯坦福大学的教授FritzPrinz和TimHolme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年六月，大众与QS宣布成立合资公司QSVOperationsLLC，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年六月，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，我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上升势头，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锂离子电池领域。
这一年，以特斯拉为首的新能源汽车公司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公司，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年十一月二十七日，QS通过与KensingtonCapital合并，在纽交所成功上市，赶上了SPAC之年的末班车，也首次将电池类公司加入了“SPAC群体”的名单之中。
根据QS于2020年十二月十七日公布的招股书中显示，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，作为产量建设的第二期，QS计划将其固态电池产量扩展至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动力锂离子电池需求，因此即使QS于2025年实现20GWh产量，其将仅占大众所需动力锂离子电池的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对的重要问题”，并获得了超越福特汽车的市值，令人感叹资本市场的疯狂。
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相同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？）
在十二月八日的视频公布会上，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比较参数，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，会大大阻碍锂离子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，防止了液态电解质起火、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：
“动力锂离子电池的很多性能，取决于如何在防止锂枝晶前提下的‘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，每年假如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，有关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SilaNanotech公司创始人兼CEO吉恩·贝尔迪切夫斯基（GeneBerdichevsky）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、要快速充电的汽车电池中防止制造缺陷，则需使用制造电子芯片的纳米级精度的设备和工艺，但是有关电池而言，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”含义过于模糊，并未供应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，重要指一系列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面对激烈的竞争。
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SolidPower，甚至连跨界造车失败的戴森，也仍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。
在我国，包括动力锂离子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公司，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执行、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面对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法的电池生产商。
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，意味着动力锂离子电池成本将逼近50美元/kWh，电动汽车续航里程将达到800km以上级别。
虽然特斯拉并未给出具体的时间表，但声称2030年电池产量将达3TWh（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年规划产量为91GWh（约等于特斯拉规划产量的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产量时的成本目标的。
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量、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年一月四日，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。
截至一月十四日收盘，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.GeneBerdichevsky:TheFutureofEnergyStorage
3.中金：简析固态电池潜力路线
4.王凌方：《锂离子电池宿命：绕不过的固态电池》
