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由前英飛朗 CEO Jagdeep Singh聯(lián)合斯坦福大學(xué)科學(xué)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(yīng)用到汽車(chē)和卡車(chē)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(lái)，科學(xué)家們認(rèn)為鋰金屬電池是理想的儲(chǔ)能技術(shù)。

數(shù)十年來(lái)，研究人員、企業(yè)一直在嘗試制造經(jīng)濟(jì)實(shí)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(shí)候，該公司首席執(zhí)行官賈迪普?辛格接受 The Mobilist 采訪(fǎng)，稱(chēng)已經(jīng)克服了關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)。辛格補(bǔ)充說(shuō)，預(yù)計(jì)到 2025 年，大眾公司將在大眾汽車(chē)和卡車(chē)上使用 QuantumScape 電池，以削減成本、提高大眾電動(dòng)汽車(chē)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(méi)有產(chǎn)品或收入，并且預(yù)計(jì)在 2024 年之前也不會(huì)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(lái)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(guò)，直到現(xiàn)在，辛格還是很少透露有關(guān)電池的細(xì)節(jié)。研究人員、競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手和記者都從專(zhuān)利文件、投資者文件和其他渠道尋找線(xiàn)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(shí)驗(yàn)室測(cè)試的技術(shù)結(jié)果：QuantumScape 研制了一款半固態(tài)電池，大多數(shù)電池靠電解液來(lái)促進(jìn)帶電原子在設(shè)備中移動(dòng)，而這種電池使用的則是固態(tài)電解質(zhì)。

由于使用固態(tài)電解質(zhì)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(xué)電池。但以往經(jīng)驗(yàn)表明，開(kāi)發(fā)難度很高。

不過(guò)，QuantumScape 仍隱瞞其電池的某些細(xì)節(jié)，如所使用的一些關(guān)鍵材料和工藝。而一些專(zhuān)家仍然懷疑 QuantumScape 是否真正解決了棘手的技術(shù)挑戰(zhàn)。如果技術(shù)挑戰(zhàn)得以解決，在未來(lái)五年內(nèi)，鋰電池或能用于商用車(chē)。

測(cè)試結(jié)果

在接受《麻省理工科技評(píng)論》采訪(fǎng)時(shí)，辛格表示，QuantumScape 已經(jīng)證明所研發(fā)的電池將有效滿(mǎn)足消費(fèi)者五大需求，即成本更低、續(xù)航里程更多、充電時(shí)間更短、壽命更長(zhǎng)以及安全性更高。而迄今為止，電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)量占美國(guó)新車(chē)銷(xiāo)量比例仍低于 2%，正是因?yàn)檫@五大需求無(wú)法得到滿(mǎn)足。

辛格說(shuō)：“只要電池能夠滿(mǎn)足這些要求，相當(dāng)于打開(kāi)了 98% 的市場(chǎng)，現(xiàn)在任何方法都達(dá)不到這樣的效果。”

QuantumScape 電池的表現(xiàn)確實(shí)出類(lèi)拔萃，在去年的一項(xiàng)測(cè)試中，美國(guó)汽車(chē)媒體 MotorTrend 發(fā)現(xiàn)，一輛電量為 5% 的 Model 3 汽車(chē)，使用特斯拉的 V3 超級(jí)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(dāng)于行駛 24 萬(wàn)英里。即使充電和放電非常頻繁，電池性能也幾乎沒(méi)有打折扣。

QuantumScape 還表示，雖然還沒(méi)有經(jīng)過(guò)測(cè)試，但該電池能支持的行駛里程，可能會(huì)超過(guò) 80% 以上標(biāo)準(zhǔn)鋰離子電池支持的電動(dòng)汽車(chē)行駛里程。

馬里蘭大學(xué)化學(xué)和生物分子工程助理教授保羅?艾伯特斯說(shuō)：“QuantumScape 的數(shù)據(jù)太漂亮了。” 據(jù)悉，艾伯特斯曾是美國(guó)能源先進(jìn)研究計(jì)劃局的 IonICS 項(xiàng)目主管，研究固態(tài)電解質(zhì)，與 QuantumScape 沒(méi)有任何隸屬或財(cái)務(wù)關(guān)系。

艾伯特斯補(bǔ)充說(shuō)，QuantumScape 在鋰金屬電池方面 “令其他人望塵莫及”，“QuantumScape 都跑完一場(chǎng)馬拉松了，而其他人只跑了 5 公里。”

如何實(shí)現(xiàn)？

那么，QuantumScape 如何取得這些成就呢？

現(xiàn)在電動(dòng)汽車(chē)的標(biāo)準(zhǔn)鋰離子電池中，陽(yáng)極主要是由石墨制成，便于儲(chǔ)存在電池中來(lái)回穿梭的鋰離子。在鋰金屬電池中，陽(yáng)極就是由鋰制成。那么，幾乎每一個(gè)電子都可以用來(lái)儲(chǔ)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(lái)。首先，鋰極不穩(wěn)定。如果鋰接觸到支持離子移動(dòng)的電解液等液體，可能會(huì)引發(fā)副反應(yīng)，導(dǎo)致電池退化或起火。其次，鋰離子流動(dòng)會(huì)形成所謂樹(shù)枝狀的針狀物，可能刺穿電池中間的分離器，導(dǎo)致電池短路。

多年來(lái)，研究人員為了解決上述問(wèn)題，利用陶瓷、聚合物和其他材料，試圖開(kāi)發(fā)出不與鋰金屬反應(yīng)的固態(tài)電解質(zhì)。

QuantumScape 的重要?jiǎng)?chuàng)新之一為開(kāi)發(fā)出一種固態(tài)陶瓷電解質(zhì)，該電解質(zhì)也是分離器。這種電解質(zhì)只有幾十微米厚，能抑制樹(shù)枝狀物的形成，同時(shí)鋰離子也能輕松來(lái)回通過(guò)。電池陰極側(cè)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(shuō)明所使用的材料，稱(chēng)其為最高商業(yè)機(jī)密。一些電池專(zhuān)家則根據(jù)專(zhuān)利文件猜測(cè)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(shí)間，為防止出現(xiàn)缺陷和樹(shù)枝狀物，又花了五年時(shí)間研發(fā)有效組成、確定制造工藝。

QuantumScape 認(rèn)為，電池采用固態(tài)技術(shù)，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(huì)偶爾起火。

另一個(gè)重要進(jìn)步是，QuantumScape 電池沒(méi)有明顯區(qū)分出陽(yáng)極。參見(jiàn) QuantumScape 視頻，可了解更多 “無(wú)陽(yáng)極” 設(shè)計(jì)。

電池充電時(shí)，陰極側(cè)的鋰離子會(huì)穿過(guò)分離器，并在分離器和電池末端的電觸點(diǎn)之間形成平面層。放電時(shí)，幾乎所有的鋰離子都會(huì)回到陰極。這樣一來(lái)，不需要任何不直接參與儲(chǔ)能或載流工作，只需儲(chǔ)存離子的陽(yáng)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(huì)下降。

其余風(fēng)險(xiǎn)

然而，還有一個(gè)問(wèn)題懸而未決。QuantumScape 是在單層電池上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。而汽車(chē)電池需要有幾十層電池一起工作。從試驗(yàn)到商業(yè)化生產(chǎn)是儲(chǔ)能領(lǐng)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(méi)有跨過(guò)這個(gè)坎，一敗涂地。

艾伯特斯指出，許多公司都曾過(guò)早宣稱(chēng)電池取得突破，人們失望太多次了，于是對(duì)任何新電池都會(huì)起疑。艾伯特斯希望，QuantumScape 能將電池提交給國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，在標(biāo)準(zhǔn)化條件下進(jìn)行獨(dú)立測(cè)試。

其他行業(yè)觀察家也表示，如果 QuantumScape 到目前為止只對(duì)單層電池進(jìn)行嚴(yán)格測(cè)試，那么該公司能否通過(guò)規(guī)模化和安全測(cè)試，并在 2025 年之前將電池用于車(chē)輛依然存疑。

電池初創(chuàng)公司 Sila Nanotechnologies 是 QuantumScape 的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。Sila Nanotechnologies 正在開(kāi)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(bào)道前一天發(fā)布了一份白皮書(shū)，指出固態(tài)鋰金屬電池面臨的一連串技術(shù)挑戰(zhàn)。白皮書(shū)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(shì)都會(huì)減少。

但白皮書(shū)也強(qiáng)調(diào)，采購(gòu)、生產(chǎn)、運(yùn)輸和安裝鋰離子的大規(guī)模全球基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)存在，鋰金屬電池如何與之競(jìng)爭(zhēng)實(shí)為最大挑戰(zhàn)。

巨大賭注

但其他觀察家表示，最新進(jìn)展既表明，鋰金屬電池能量密度將大大超過(guò)鋰離子電池，也表明可以解決阻礙鋰金屬電池發(fā)展的問(wèn)題。

卡內(nèi)基梅隆大學(xué)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(guò)咨詢(xún)工作。他說(shuō)：“過(guò)去的問(wèn)題是鋰金屬電池會(huì)不會(huì)有，現(xiàn)在是鋰金屬電池什么時(shí)候能用上。”

辛格承認(rèn)，公司仍然面臨挑戰(zhàn)，但堅(jiān)持認(rèn)為挑戰(zhàn)在于制造和擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模方面。辛格認(rèn)為，化學(xué)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(wèn)及既然沒(méi)有獨(dú)立研究結(jié)果、為什么記者要相信公司結(jié)果，辛格強(qiáng)調(diào)，為保持透明度，分享的數(shù)據(jù)已盡可能多。辛格還補(bǔ)充說(shuō)，QuantumScape 不是 “做學(xué)術(shù)研究的”。

辛格說(shuō)：“說(shuō)實(shí)話(huà)，也請(qǐng)你們不要介意，我們并不太在意你們?cè)谙胧裁?。我們關(guān)心的是客戶(hù)?？蛻?hù)已經(jīng)看到了數(shù)據(jù)，在自己的實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行了測(cè)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(huà)說(shuō)，要知道 QuantumScape 是否如其所稱(chēng)完全解決了問(wèn)題，就看大眾能否在 2025 年之前在汽車(chē)上配置 QuantumScape 電池了。