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2020/12/22
QuantumScape的固態電池離量產究竟有多遠？
文丨王小西
編輯丨小叮噹
固態電池似乎離我們越來越近，新聞也是層出不窮。包括「十年磨一劍」的大眾2014年就持股5%的QuantumScape。
12月8日，已經上市的QuantumScape，也就是由大眾和比爾·蓋茨投資的初創公司，公布了經過十年研究的最新固態電池的性能數據。據稱，這種固態電池也可能是第一個商業上可行的固態電池。股市聞訊，QuantumScape股價大漲。
這種固態電池能將電動汽車的續航裡程提高80%，並能在15分鐘內充滿80%的電量，並將於2024年投入生產。而它突破的關鍵是，使用柔性的陶瓷電解質取代液體電解質。據悉，即使在零下30攝氏度的極低氣溫下，電池性能也不會受到影響。
聽起來激動人心。不過，最大的疑點是，電池的很多細節並沒有公布，就像中金公司研報所說，現在展示的只是單層疊片，還不是電芯，那麼無法確定電芯的電量多少，就無法計算它的充電設施的配套情況。反過來說，QuantumScape是不是僅僅「放了個PPT衛星」？
QS藏了些什麼？
QuantumScape在這場說明會上講了很多激動人心的技術，比如，這款固態電池相較於傳統的鋰離子電池，經過800次充電後仍能保持80%以上的容量，技術上有著明顯的進步。
此外，這款電池是阻燃的，電池體積能量密度超過1000Wh/L，幾乎是頂級商用鋰電池組密度的兩倍，也是目前特斯拉Model 3所用電池的四倍。
聽起來很牛的樣子。連公司的聯合創始人、鋰離子電池發明者、2019年諾貝爾化學獎得主之一Stan Whittingham都說，「製造一個固態電池最困難的部分是需要同時滿足高能量密度、快速充電、長循環壽命和寬溫度範圍工作的多個要求。數據顯示，QuantumScape的固態電池完全滿足所有這些要求，這是以前從未報導過的。如果該公司能夠將這項技術投入大規模生產，它就有可能改變整個行業。」
不過，QuantumScape也有很多的事情藏著沒說。
比如，根據中金公司的研報意見，首先，QuantumScape並未給出具體的技術路線與詳細的電池參數；其次，所展示的電池樣品僅是單層疊片，並不是真正的電芯Cell。也就是說，目前還只是實驗室的數據。
材料方面，根據QuantumScape專利的布局與宣傳來判斷，QuantumScape的固態電池路線應該為氧化物體系下的石榴石狀複合氧化物固態電池（Composite Garnets Solid-state Battery），主流電解質體系為Li3La3Zr2O12（LLZO），即鋯酸鑭鋰。
而且，中金公司從Google Patents上所查到的與QuantumScape大量相關的專利體系，也均為鋯酸鑭鋰氧化物。這也是目前固態電池的氧化物路線中，最可能實現量產的材料，也是2007年後新發現的對鋰金屬最為穩定的氧化物電解質體系中的分支。實用方面，國內的清陶發展，已經有兩條小的生產線量產。
所以，大眾的固態電池走氧化物體系下的柔性陶瓷電解質路線，並不奇怪。不過，鋯酸鑭鋰體系，優點和劣勢都有。
鋯酸鑭鋰（LLZO）體系的特點在於，一是所有目前固態電池電解質體系中，對鋰金屬適配性最好的電解質，相對有可能直接跳過矽負極，實現鋰金屬負極的應用。二是，LLZO的電化學窗口寬，可以承受5V以上的電壓。
但是LLZO體系的缺點也很多，比如，這種石榴石複合物體系的電導率只有10^-4級別，比液體電解質直接小了兩個量級。其次，LLZO對正極的界面性能較差。這是因為，一方面石榴石結構使得與鋰金屬接觸面無法平整，另一方面與正極的接觸相對較差。
所以，國內目前探索的解決辦法有，複合正極、界面處理工藝優化、界面層引入以及電解質複合等。比如，清陶發展就走的複合正極的路子。
還有，就是製備工藝複雜，製造設備還不同源，換句話說，現有的鋰電池生產體系不能通用，得重建。而且，除了電池本身，配套設施的建設這塊，也是非常重要的。
2017年曾有菲斯科說「充電一分鐘，可跑800公裡」。但是根據公社數據組呂一星的計算，如果要達到這個效果，充電樁的鋁製導線直徑要達到60CM，就是比臉盆還要粗的線路。可能嗎？以目前的技術來說，「這簡直是要『雷劈』才能做到的效果！」
按照這個模型（目前通用的350V電壓下），記者計算了一下，固態電池15分鐘要能充滿80%，充電樁的鋁製導線直徑還是要達到15CM以上，就算換成導電率高一倍的銅製導線，直徑也要7.5CM以上，目前來看，實現還是有難度的（計算方法可以加微信討論karma-shanxi）。
最近，理想的李想說了一句，「只有在第二代電動汽車技術成熟的基礎上，理想汽車才會做純電動。」而第二代技術的一個標誌是800V電壓平臺下的400kW快充。但從現實來說，5~10年內可能都難以實現400kW的充電功率。
我們知道，特斯拉希望的350kW超級充電樁的落地還無法確定。所以，綜合各種情況來看，固態電池真正能實現量產和商業化的普及應用，業內給出的時間點是2030年以後。
所以，業內也有疑問，QuantumScape說固態電池計劃2024~2025年能量產，這種可能性有多大？綜合來看，鋯酸鑭鋰為電解質的電池單體從理論性能上具備一定的實用性，但距離量產真的還有很長很長的過程。
所以，這款固態電池看來是QuantumScape和大眾應對投資壓力，放了一顆PPT的「大衛星」，給投資者以信心。從投資方面可以理解，畢竟十年了，得出點成果。再說，股市賭的就是未來。
不過，記者還是諮詢了一下業內相關人士，該人士表示，包含稀土成分的鋯酸鑭鋰「這個路線應該很困難。有兩種元素含量都太少了。」硫化物路線是可行的。這也是豐田開發固態電池伊始，就考慮過的。所以，氧化物路線能走多遠，我們還不能下結論。
固態電池的路徑
我們再來說說固態電池。原理很簡單，就是以固態或者半固態的電解質，來代替現有鋰電池中使用的液態電解質。從技術上講，固態電解質的厚度可以很薄，也就幾十μm，減小體積也降低了重量。而兼顧高能量密度和高安全性的固態電池，是電池技術的一個終極目標。
固態電池的起始，最早可以追溯到1972年。當年，Scrosati B.首次報導了一種採用LiI為電解質的固態鋰離子一次電池。11年後的1983年，日本東芝開發了一款可實用的Li/TiS2薄膜全固態鋰電池。從那以後，固態電池的研究就一直在持續。
值得重點注意的是，目前絕大部分固態電解質的電導率比電解液小10倍以上，也就是一個數量級，因此快充性能上問題很大，非常怕大電流。此外，固態電池只有實現鋰金屬負極的應用，才能實現對目前電池體系質量能量密度的超越，這個難度相當高。
所以，固態電池的核心技術突破，主要是在達到高離子電導率的固態電解質材料技術，以及實現低阻抗固—固界面的製造技術。固態電池雖然具有安全性能好、能量密度高和循環壽命長等優點，但是，在汽車行業實現量產應用還早。
比如，目前固態電池的電池性能，僅略優於液態電池（400Wh/kg的單體能量密度），且循環壽命不高於500次。這次QuantumScape公布充電次數能達到800次，這個數據雖然很不錯了，但應該還只是實驗數據而已。
說完國外，說說國內。國內最早開始注意固態電池的，是陳立泉院士。根據他的講述，在他的呼籲下，1987年，中國科技部將固態鋰電池列為第一個「863」計劃重大專題。不過，按照當時的技術水平，這個任務明顯是「MISSION IMPOSSIBLE」。
直到2012年，中國科技部再次將固態儲能鋰電池列入「十二五」的「863」計劃。2018年，中國科技部將對動力及儲能應用的固態鋰電池同時列入國家重點研發計劃。
2019年12月，工信部發布《新能源汽車產業發展規劃（2021-2035年）》（徵求意見稿），在「實施電池技術突破行動」中，加快固態動力電池技術研發及產業化被列為「新能源汽車核心技術攻關工程」。從這些年的歷程中，我們也可以看到固態電池的技術難度有多大。
而根據智研諮詢2019年發布的《2019-2025年中國全固態電池市場專項調查及發展趨勢分析報告》，從全球看，目前日韓在固態電池開發領域專利技術較為領先。
從1990年至2018年，固態電池領域已經公開的專利數目為1926件，其中全固態電池領域專利數目達到871件，佔比約45%。而從地域上看，日本擁有固態電池專利916件，佔比接近一半，領先優勢較大。中國的專利為362 件。全固態電池方面，日本擁有專利657件，佔比75%，領先優勢更加明顯。這方面，中國、韓國分別擁有專利 128 件、37 件。美國在全固態電池領域，僅擁有29件專利。
所以，中國企業雖然聲量很大，但是，真正的專利並不多。中國企業普遍難以持續投入研究固態電池，有的還喜歡「吹牛」在先，很多爆出來的成果，都是對投資人說的，真正能落地的不多。這是我們更加需要理性對待的。
日系的硫化物路線
我們再來說說另外一個主流路線。國內的清陶和QuantumScape走的是氧化物路線，而日系呢？日系和韓系，走的是硫化物路線。
我們現在講固態電池，其固體電解質可大致分為三類：無機電解質、固態聚合物電解質、複合電解質。目前業內比較主流的是兩種，硫化物和氧化物，此外有固態聚合物、薄膜等。
氧化物雖然在高安全性及易生產性方面更具優勢，但室溫下離子電導率的提升仍是世紀難題。而聚合物路線，雖然率先實現了小規模量產，技術已經成熟，但是類似於「一個需要長期服用興奮劑的運動員」，「出道即巔峰」，沒有後續的潛力，屬於邊緣化的非主流。
而硫化物路線，是三種路線中技術難度最高的，但是潛力很大，受到日韓企業的追捧。不過，也只有日韓企業能夠有耐心，去認真鑽研。
豐田是堅定的硫化物技術支持者。通過多年的默默研究，豐田已經取得了一定的成果。豐田本來計劃2020年在東京奧運會推出搭載硫化物固態電池的純電動汽車，計劃於2022年實現量產。不過，受疫情衝擊影響，豐田推遲了亮相的計劃。
不過，豐田汽車動力總成公司執行副總裁兼電池業總經理Keiji Kaita曾經表示，豐田計劃在2025年之前量產固態電池，能量密度比鋰電池提高兩倍以上，充電效率也更高，從零充滿僅需15分鐘。
而豐田在固態電解質材料方面的技術基礎，來自於日本東京工業大學的菅野了次教授2011年發明的硫化物固態電解質，其室溫下離子電導率>10-2S/cm（超越了傳統有機電解液）。
經過十幾年的研究，豐田不僅獲得了固態電解質材料、固態電池的製造技術等方面的專利，還研發了一整套的正極材料和硫化物固態電解質材料回收的技術路線和回收工序。這是大眾也急著投入巨資搞固態電池的原因所在，對手太強大了。
此外，三星和寶馬也都在研發硫化物固態電池的技術。今年3月初，三星高等研究院（SAIT）與三星日本研究中心（SRJ）在《自然-能源》聲稱，已經開發出一種高性能全固態電池。這種電池的循環壽命超過1000次，可以讓電動汽車在單次充電的情況下行駛800公裡。
去年，三星還參與投資了Solid Power。而寶馬則於2017年開始，就與Soild Power共同開發固態電池。在硫化物路線上，能不能儘快出成果，也考驗著這些企業的耐力和實力。
不過，以豐田固態電池的緩慢的製造過程而言，我們就知道，離大規模生產還有很遠的距離。
豐田的固態電池必須在超乾燥的非水環境中生產，是在一個名為「手套箱」的透明盒子中製造，工人們通過緊密嵌在盒子上的橡膠手套將手伸入箱子裡面操作。很明顯，這還處於試驗室的階段，離大規模製造還很遠。
Keiji Kaita也謹慎地表示，豐田仍有望在2025年實現「有限數量」的生產。但是，由於生產規模較小，最初的成本會很高。所以，最初生產的幾年裡，這種固態電池的產量將非常低。而且，豐田的目標是，這種電池經過較長時間（30年）的使用後，仍然能夠保持90%的性能，這讓該電池的研發變得更加複雜。
綜合來看，目前各大車企都在加緊固態電池的研發與產業化布局，而三星SDI、SKI、LG化學、麻省固能SES以及QuantumScape等，在固態電池領域也在不斷取得新突破，時不時會出新的成果。
國內包括輝能科技、贛鋒鋰業、清陶能源、萬向一二三、衛藍新能源等中國企業，也都在建設固態電池產線，甚至部分已投產。而面向2025年後的下一代動力電池的卡位戰，早已經悄然拉開戰幕。
不過，固態電池的實際應用前景，看來還在2025~2030年，任何過於樂觀的估計和預測，在現實面前，都需要冷靜一下。
就像中金分析的那樣，目前的鋰電體系迭代後可以實現800~1000km的續航，能夠滿足需求。此外，在供應鏈配合與規模效應下2025年前能夠實現燃油車和純電車平價。而固態電池一方面宣傳的1000~1400km高續航影響力有限，沒有現實中的充電網絡便捷性重要；另一方面，固態電池高企的成本也導致了5~10年內的性價比實在不高。
固態電池未來的前景非常誘人，根據中銀國際測算，全球固態鋰電池的需求量在2020年、2025年、2030年分別有望達到1.7GWh、44.2GWh、494.9GWh，2030年全球固態電池市場空間有望達到1500億元以上。但是，記者認為10年之內，固態電池還無法主導。
｜王小西｜
比天空更遼闊的……
THE END