摘要

它會(huì)比今天的鋰離子電池貴得多，并且永遠(yuǎn)不會(huì)比當(dāng)代鋰離子電池成本更低。

本譯文原文由Soteria電池創(chuàng)新集團(tuán)(BIG)現(xiàn)任CEO Brian Morin博士所創(chuàng)，發(fā)布于SeekingAlpha網(wǎng)站。同時(shí)他還擔(dān)任著擔(dān)任國(guó)家先進(jìn)技術(shù)電池聯(lián)盟（National Alliance for Advanced Technology Batteries）的董事和副總裁。

Brian Morin擁有俄亥俄州立大學(xué)材料物理學(xué)博士學(xué)位，在分子磁體、塑料添加劑、高級(jí)纖維和鋰離子電池等領(lǐng)域撰寫了250多項(xiàng)全球?qū)＠暾?qǐng)。

先說(shuō)結(jié)論：

QuantumScape的科學(xué)研究非常出色；

但是他們的電池體積小且未經(jīng)驗(yàn)證——尚未達(dá)到iWatch電池的大小，并且從未在實(shí)驗(yàn)室外進(jìn)行過(guò)測(cè)試；

與固態(tài)電池相關(guān)的重大風(fēng)險(xiǎn)尚未克服；

他們可能永遠(yuǎn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)宣稱的性能。

考慮到QuantumScape最近的IPO以及隨后的股價(jià)上漲，討論他們?nèi)〉玫某晒σ约盀樵趯?shí)現(xiàn)業(yè)績(jī)過(guò)程中面臨的重大挑戰(zhàn)是非常有趣的。在本文中，作者主要討論了與成功打造固態(tài)電池有關(guān)的技術(shù)問(wèn)題。

QS固態(tài)電池技術(shù)解讀

首先，要強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)是，制造一款能夠滿足實(shí)際應(yīng)用對(duì)各種速率和工作溫度需求的固態(tài)電池很難——非常、極其的難。實(shí)際上，難到至今為止沒(méi)有做出來(lái)的。我閱讀了數(shù)十篇研究論文，發(fā)現(xiàn)嘗試過(guò)的科學(xué)家有能力使一個(gè)或多個(gè)功能發(fā)揮作用，但他們?yōu)闊o(wú)法打造出一款動(dòng)力電池的完成品而道歉，并隨即提出今后面臨的挑戰(zhàn)。下面是QuantumScape技術(shù)的解讀，到目前為止包含：

電解質(zhì)：一種位于正負(fù)極之間的自支撐稀薄固態(tài)電解質(zhì)。盡管我們了解的不多，但它確實(shí)提供了一些相關(guān)的性能。

軟包電芯：正常工作的單層軟包電池，尺寸為70 * 85 mm，單位面積容量為3.2 mAh/cm2，總?cè)萘坑?90mAh。相比之下，iWatch電池容量為205mAh，iPhone 12 Pro電池為3,768 mAh。因此，它需要12塊軟包電池為手機(jī)供電，要為一輛特斯拉提供能量需要10萬(wàn)塊。

鋰金屬負(fù)極：使用一層薄鋰金屬負(fù)極，有助于實(shí)現(xiàn)高能量密度……總有一天。

快速充電：15分鐘充滿80%，是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。快速充電速率下，固態(tài)電解質(zhì)會(huì)產(chǎn)生枝晶。

技術(shù)過(guò)于夸大

他們的固態(tài)電池在如下領(lǐng)域里算得上成功，因?yàn)橄啾冗^(guò)去的固態(tài)電池要好得多。但是對(duì)于現(xiàn)實(shí)世界的電動(dòng)汽車，它們是完全不被接受的。

功率：QuantumScape完成了車企指定的90秒1200次工況循環(huán)仿真，放電倍率是6C。其中9次循環(huán)工程中完成完全放電，然后電池被加熱到45度，在15分鐘完成80% SOC。在130次全放電深度（FDOD）循環(huán)測(cè)試中，電池?fù)p失了約10％的容量。這意味著電池只能持續(xù)260次FDOD循環(huán)或大約75,000英里的駕駛。PPT上有一條注釋，指出發(fā)生在3.4 atm，這可能意味著處于高壓狀態(tài)。

續(xù)航：在30攝氏度下以更溫和的1C / 1C循環(huán)，電池可以進(jìn)行800次循環(huán)（即24萬(wàn)英里）。這是一個(gè)相當(dāng)數(shù)量的續(xù)航，但并不比今天路面上的車輛好。

低溫運(yùn)行：它們展示了0到-30攝氏度下的放電曲線，有效比容量達(dá)到90-130 mAh/g。與NMC811 200 Ah/kg的有效比容量相比，它的可用電流為室溫容量的45-65％，但會(huì)伴隨著明顯的電壓降?；陔妷航?、容量損失和低速率，我估計(jì)在寒冷的月份續(xù)航會(huì)損失50％至80％。另外，請(qǐng)注意，固態(tài)電池對(duì)溫度非常敏感。因此，如果在更低的溫度下運(yùn)行，30至45度條件下進(jìn)行的功率和循環(huán)測(cè)試會(huì)變得更加糟糕。

低溫壽命：它們?cè)?10攝氏度下顯示100次左右的循環(huán)，相當(dāng)好，除了這些循環(huán)是在C/5充電和C/3放電下實(shí)現(xiàn)的。因此，不是在15分鐘內(nèi)充電80％，而是在15分鐘內(nèi)充電5％。

能量密度：他們談?wù)撃軌蜻_(dá)到400 Wh/kg的能量密度，這非常不錯(cuò)的。但是，他們顯然還沒(méi)有達(dá)成，因?yàn)闇y(cè)試圖表中都是用百分比顯示，而不是實(shí)際容量。Amprius正在打造450Wh/kg能量密度的電芯，特斯拉在電池日上宣稱他們電池的能量密度可以達(dá)到350Wh/kg。因此，QS希望在2028年達(dá)到的能量密度不會(huì)超過(guò)當(dāng)今的最新水平，并且在達(dá)到這一水平時(shí)也不會(huì)成為最高水平。

那些被隱藏掉的挑戰(zhàn)

還有一些QuantumScape沒(méi)有提到的挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)在固態(tài)電池被應(yīng)用之前必須被克服。而他們已經(jīng)花費(fèi)了3億美元，因此這些挑戰(zhàn)并不是他們沒(méi)有足夠的資源來(lái)應(yīng)對(duì)，而是他們尚未解決，不得不保持沉默。其中許多挑戰(zhàn)來(lái)自他們使用的陶瓷電解質(zhì)的事實(shí)。這些包括：

多層電芯：他們無(wú)法制造多層電芯。我的預(yù)期是，這是由于正極和固態(tài)電解質(zhì)之間的界面不穩(wěn)定，前者在放電時(shí)會(huì)膨脹多達(dá)10％，后者根本不會(huì)膨脹。它們可能會(huì)在高等靜壓力下進(jìn)行循環(huán)（還記得前面提到的3.4 atm嗎？），該壓力不會(huì)流到內(nèi)層。內(nèi)層也將受到更嚴(yán)格的約束，因此會(huì)在循環(huán)中遭受界面腐蝕的影響。毋庸置疑，10萬(wàn)個(gè)小軟包電池永遠(yuǎn)不會(huì)用于實(shí)際車輛。在這里必須提到的重要一點(diǎn)是，如果你的技術(shù)可行，制作多層軟包電池會(huì)非常輕松。

振動(dòng)和枝晶：電解質(zhì)非常非常硬。有充分的記錄表明，枝晶不會(huì)通過(guò)固體單晶石榴石電解質(zhì)生長(zhǎng)。但是，它們?cè)诰Я＿吔绾腿毕萏幾杂缮L(zhǎng)。在全新的、溫度和壓力受控且無(wú)振動(dòng)的實(shí)驗(yàn)室中，他們可以使電芯循環(huán)。但是在SUV粗獷的駕駛模式下或在南卡羅來(lái)納州糟糕的道路上，裂縫等問(wèn)題將變得更嚴(yán)重，枝晶會(huì)增加。在最好的情況下，這會(huì)破壞循環(huán)壽命，在最壞的情況下，會(huì)導(dǎo)致電池爆炸。

鋰金屬易燃：他們吹捧使用鋰金屬來(lái)增加能量密度，但是他們沒(méi)有提到鋰金屬會(huì)在179攝氏度下自燃，產(chǎn)生200-300 kJ/mol或30-40 kJ/g的大量能量——大約是鋰離子電池所含碳酸亞乙酯的三倍。純鋰是僅次于鈹?shù)牡诙吣茉兀梢杂米骰鸺剂系某煞郑ê趸瘎?。從本質(zhì)上講，它們已經(jīng)取代了燃燒的隔膜和電解液，使負(fù)極更加易燃。電池中有足夠的能量將鋰提高到其自燃溫度。如果暴露在氧氣或水中，它可能會(huì)自行燃燒。正極材料中有大量氧氣可用。

成本：他們聲稱成本較低，但實(shí)際上僅消除了最便宜的一種成分-石墨。他們需要增加制造薄陶瓷電解質(zhì)并在高溫下燒結(jié)的成本。我的猜測(cè)是，如果他們實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，產(chǎn)出將非常糟糕。

QS固態(tài)電池最終將用于何處？

鑒于他們迄今為止的成功和獲得的資本，我認(rèn)為QuantumScape將成功地把電池推向市場(chǎng)。然而，

它的能量密度將比Amprius如今實(shí)現(xiàn)的要低；

它可能會(huì)首先應(yīng)用于手表和可穿戴設(shè)備中，然后可能出現(xiàn)在手機(jī)中；

擴(kuò)產(chǎn)所需的時(shí)間比他們想象的要長(zhǎng)得多，并且成本要高得多；

它將無(wú)法承受更嚴(yán)格的汽車級(jí)應(yīng)用環(huán)境；

它會(huì)比今天的鋰離子電池貴得多，并且永遠(yuǎn)不會(huì)比當(dāng)代鋰離子電池成本更低；

一旦制造出合適的電池尺寸，它可能不會(huì)比當(dāng)今的鋰離子電池更安全。

對(duì)QS的固態(tài)電池能有什么期望？以下是一些可以實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)：

這種電池將在便攜式電子產(chǎn)品中流行；

這些電池可以為城市提供能量存儲(chǔ)。

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：【科達(dá)利?媒體視點(diǎn)】QuantumScape固態(tài)電池技術(shù)過(guò)于夸大？

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