由前英飛朗 CEO Jagdeep Singh聯(lián)合斯坦福大學科學家 Fritz Prinz、Tim Holme 共同創(chuàng)立的固態(tài)鋰金屬電池公司 QuantumScape 于近日表示,其鋰金屬電池將很快應用到汽車和卡車上,但有一些觀察家仍持懷疑態(tài)度。
鋰,是周期表上最輕的金屬,一直以來,科學家們認為鋰金屬電池是理想的儲能技術。
數(shù)十年來,研究人員、企業(yè)一直在嘗試制造經(jīng)濟實惠、可充電、不易燃的鋰金屬電池,但都失敗了。
電池公司 QuantumScape 位于加州圣何塞,資金雄厚但卻不為人知。在今年早些時候,該公司首席執(zhí)行官賈迪普?辛格接受 The Mobilist 采訪,稱已經(jīng)克服了關鍵技術挑戰(zhàn)。辛格補充說,預計到 2025 年,大眾公司將在大眾汽車和卡車上使用 QuantumScape 電池,以削減成本、提高大眾電動汽車的續(xù)航里程。
QuantumScape 于 11 月上市,現(xiàn)在市值約為 200 億美元,但目前還沒有產(chǎn)品或收入,并且預計在 2024 年之前也不會有收入。大眾已經(jīng)向該公司投資了 3 億多美元,并與之成立了一家合資企業(yè)來生產(chǎn)電池,QuantumScape 還從其他大型投資者那籌集了數(shù)億美元的資金。
不過,直到現(xiàn)在,辛格還是很少透露有關電池的細節(jié)。研究人員、競爭對手和記者都從專利文件、投資者文件和其他渠道尋找線索,以了解該公司究竟以何種方式、取得了哪些成果。
在 12 月 8 日的新聞公告中,QuantumScape 終于提供了實驗室測試的技術結果:QuantumScape 研制了一款半固態(tài)電池,大多數(shù)電池靠電解液來促進帶電原子在設備中移動,而這種電池使用的則是固態(tài)電解質。
由于使用固態(tài)電解質或能提高安全性和能量密度,眾多研究人員和企業(yè)都在探索能否將其用于化學電池。但以往經(jīng)驗表明,開發(fā)難度很高。
不過,QuantumScape 仍隱瞞其電池的某些細節(jié),如所使用的一些關鍵材料和工藝。而一些專家仍然懷疑 QuantumScape 是否真正解決了棘手的技術挑戰(zhàn)。如果技術挑戰(zhàn)得以解決,在未來五年內(nèi),鋰電池或能用于商用車。
測試結果
在接受《麻省理工科技評論》采訪時,辛格表示,QuantumScape 已經(jīng)證明所研發(fā)的電池將有效滿足消費者五大需求,即成本更低、續(xù)航里程更多、充電時間更短、壽命更長以及安全性更高。而迄今為止,電動汽車銷量占美國新車銷量比例仍低于 2%,正是因為這五大需求無法得到滿足。
辛格說:“只要電池能夠滿足這些要求,相當于打開了 98% 的市場,現(xiàn)在任何方法都達不到這樣的效果。”
QuantumScape 電池的表現(xiàn)確實出類拔萃,在去年的一項測試中,美國汽車媒體 MotorTrend 發(fā)現(xiàn),一輛電量為 5% 的 Model 3 汽車,使用特斯拉的 V3 超級充電器充到 90% 花了 37 分鐘。而 QuantumScape 電池不到 15 分鐘就能充到 80%,并且在 800 次充電周期內(nèi)可保持 80% 以上的容量,大致相當于行駛 24 萬英里。即使充電和放電非常頻繁,電池性能也幾乎沒有打折扣。
QuantumScape 還表示,雖然還沒有經(jīng)過測試,但該電池能支持的行駛里程,可能會超過 80% 以上標準鋰離子電池支持的電動汽車行駛里程。
馬里蘭大學化學和生物分子工程助理教授保羅?艾伯特斯說:“QuantumScape 的數(shù)據(jù)太漂亮了。” 據(jù)悉,艾伯特斯曾是美國能源先進研究計劃局的 IonICS 項目主管,研究固態(tài)電解質,與 QuantumScape 沒有任何隸屬或財務關系。
艾伯特斯補充說,QuantumScape 在鋰金屬電池方面 “令其他人望塵莫及”,“QuantumScape 都跑完一場馬拉松了,而其他人只跑了 5 公里。”
如何實現(xiàn)?
那么,QuantumScape 如何取得這些成就呢?
現(xiàn)在電動汽車的標準鋰離子電池中,陽極主要是由石墨制成,便于儲存在電池中來回穿梭的鋰離子。在鋰金屬電池中,陽極就是由鋰制成。那么,幾乎每一個電子都可以用來儲存能量,所以鋰金屬電池能量密度可能更大。
但幾大挑戰(zhàn)隨之而來。首先,鋰極不穩(wěn)定。如果鋰接觸到支持離子移動的電解液等液體,可能會引發(fā)副反應,導致電池退化或起火。其次,鋰離子流動會形成所謂樹枝狀的針狀物,可能刺穿電池中間的分離器,導致電池短路。
多年來,研究人員為了解決上述問題,利用陶瓷、聚合物和其他材料,試圖開發(fā)出不與鋰金屬反應的固態(tài)電解質。
QuantumScape 的重要創(chuàng)新之一為開發(fā)出一種固態(tài)陶瓷電解質,該電解質也是分離器。這種電解質只有幾十微米厚,能抑制樹枝狀物的形成,同時鋰離子也能輕松來回通過。電池陰極側的電解液是某種形式的凝膠,所以 QuantumScape 電池不是完全固態(tài)電池。
辛格拒絕說明所使用的材料,稱其為最高商業(yè)機密。一些電池專家則根據(jù)專利文件猜測他們使用了一種名為 LLZO 的氧化物。找到這種材料花了五年時間,為防止出現(xiàn)缺陷和樹枝狀物,又花了五年時間研發(fā)有效組成、確定制造工藝。
QuantumScape 認為,電池采用固態(tài)技術,將比目前的鋰離子電池更安全。鋰離子電池在極端情況下仍會偶爾起火。
另一個重要進步是,QuantumScape 電池沒有明顯區(qū)分出陽極。參見 QuantumScape 視頻,可了解更多 “無陽極” 設計。
電池充電時,陰極側的鋰離子會穿過分離器,并在分離器和電池末端的電觸點之間形成平面層。放電時,幾乎所有的鋰離子都會回到陰極。這樣一來,不需要任何不直接參與儲能或載流工作,只需儲存離子的陽極,便可以從而減少電池重量、減小體積。QuantumScape 表示,制造成本也會下降。
其余風險
然而,還有一個問題懸而未決。QuantumScape 是在單層電池上進行實驗室測試。而汽車電池需要有幾十層電池一起工作。從試驗到商業(yè)化生產(chǎn)是儲能領域的重大挑戰(zhàn),許多曾經(jīng)很有前途的電池初創(chuàng)企業(yè)都沒有跨過這個坎,一敗涂地。
艾伯特斯指出,許多公司都曾過早宣稱電池取得突破,人們失望太多次了,于是對任何新電池都會起疑。艾伯特斯希望,QuantumScape 能將電池提交給國家實驗室,在標準化條件下進行獨立測試。
其他行業(yè)觀察家也表示,如果 QuantumScape 到目前為止只對單層電池進行嚴格測試,那么該公司能否通過規(guī)模化和安全測試,并在 2025 年之前將電池用于車輛依然存疑。
電池初創(chuàng)公司 Sila Nanotechnologies 是 QuantumScape 的競爭對手。Sila Nanotechnologies 正在開發(fā)一種用于鋰離子電池的能量密度陰極材料,并在 The Mobilist 報道前一天發(fā)布了一份白皮書,指出固態(tài)鋰金屬電池面臨的一連串技術挑戰(zhàn)。白皮書指出,考慮到保證鋰金屬電池工作所需的所有額外措施,各公司又在努力研發(fā)商業(yè)電池,鋰金屬許多理論優(yōu)勢都會減少。
但白皮書也強調(diào),采購、生產(chǎn)、運輸和安裝鋰離子的大規(guī)模全球基礎設施已經(jīng)存在,鋰金屬電池如何與之競爭實為最大挑戰(zhàn)。
巨大賭注
但其他觀察家表示,最新進展既表明,鋰金屬電池能量密度將大大超過鋰離子電池,也表明可以解決阻礙鋰金屬電池發(fā)展的問題。
卡內(nèi)基梅隆大學副教授文卡特?維斯瓦納森維斯瓦納森曾研究鋰金屬電池,并為 QuantumScape 公司做過咨詢工作。他說:“過去的問題是鋰金屬電池會不會有,現(xiàn)在是鋰金屬電池什么時候能用上。”
辛格承認,公司仍然面臨挑戰(zhàn),但堅持認為挑戰(zhàn)在于制造和擴大生產(chǎn)規(guī)模方面。辛格認為,化學方面的工作已經(jīng)足夠。
辛格還指出,公司現(xiàn)在擁有 10 億美元資金,走向商業(yè)化生產(chǎn)將如虎添翼。
問及既然沒有獨立研究結果、為什么記者要相信公司結果,辛格強調(diào),為保持透明度,分享的數(shù)據(jù)已盡可能多。辛格還補充說,QuantumScape 不是 “做學術研究的”。
辛格說:“說實話,也請你們不要介意,我們并不太在意你們在想什么。我們關心的是客戶??蛻粢呀?jīng)看到了數(shù)據(jù),在自己的實驗室里進行了測試,效果也很好,于是下了大賭注。大眾公司已經(jīng)傾其所有了。”
換句話說,要知道 QuantumScape 是否如其所稱完全解決了問題,就看大眾能否在 2025 年之前在汽車上配置 QuantumScape 電池了。