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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。
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