固态电池战争走上台前

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一样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12月8日的视频发布会上，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对比参数，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，避免了液态电解质起火、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：

“动力电池的很多性能，取决于如何在避免锂枝晶前提下的‘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，每年如果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，对于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，往往需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Sila Nanotech公司创始人兼CEO吉恩·贝尔迪切夫斯基（Gene Berdichevsky）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、需要快速充电的汽车电池中避免制造缺陷，则需使用制造电子芯片的纳米级精度的设备和工艺，但是对于电池而言，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”定义过于模糊，并未提供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，并不需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，主要指一系列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面临激烈的竞争。

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Solid Power，甚至连跨界造车失败的戴森，却始终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。

在中国，包括动力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企业，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实施、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面临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案的电池生产商。

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，意味着动力电池成本将逼近50美元/kWh，电动车续航里程将达到800km以上级别。

虽然特斯拉并未给出具体的时间表，但声称2030年电池产能将达3 TWh（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年规划产能为91GWh（约等于特斯拉规划产能的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产能时的成本目标的。

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能、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1月4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1月14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. Gene Berdichevsky: The Future of Energy Storage

3. 中金：简析固态电池潜力路线

4. 王凌方：《锂电池宿命：绕不过的固态电池》