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乐橙固态电池战争走上台前



  “锂离子电池为第一代电动汽车提供了动力,扮演了重要的铺路石角色。而我们相信,QuantumScape的锂金属固态电池,将会为汽车产业打开新一代电池技术的大门,为交通行业的全面电动化铺平道路。”

  2020年12月8日,美国固态电池初创公司QuantumScape(QS)创始人兼CEO贾格迪普·辛格(Jagdeep Singh)向外界发出如上宣言。

  这个得到大众汽车重注支持的固态电池企业,之所以选择在这一时刻高调发声,是因为在不久之前的11月底,QS以33亿美元估值在纽交所正式上市,成为“固态电池全球第一股”。

  根据辛格的介绍,QS开发的锂金属固态电池,成功解决了电动汽车动力电池的5大痛点:成本、续航、充电时间、循环寿命和安全性。

  消息发布当日,QS股价大涨31.08%;此后半个月,这家营收为零、且未来4-5年内都将不会有营收的公司,股价却一路飙升,市值一度接近480亿美元,超过福特、菲亚特克莱斯勒等汽车制造商。

  当前的电动汽车,在安全性、续航里程、充电速度和成本方面无法令人满意,很大程度上源自于电池技术的不成熟。

  在可见的范畴,固态电池是最有潜力解决以上问题,并一举颠覆电池业和汽车业的电池技术。

  抓住“下一代电池技术”,就意味着抓住了在电动车时代存活下去的命脉。因此,对于固态电池这一“电池技术的圣杯”,世界上所有的车企都趋之若鹜。

  而对第三方电池生产商而言,颠覆性的电池技术,将意味着颠覆性的产业环境,同样是关乎生死的命题。

  在当前的三元锂电体系下,高镍正极与硅碳负极的组合,已经是能量密度的理论顶点。

  以高电压层状过渡金属氧化物做正极、石墨做负极的锂离子电池,其质量能量密度理论极限约为300Wh/kg——当前以松下/特斯拉NCA为代表的高镍三元材料体系,电芯能量密度达260Wh/kg,正在接近这一极限。

  若引入硅基合金代替纯石墨做负极,则能量密度理论上限约可提升至400Wh/kg。

  要想进一步提高能量密度,须采用金属锂做负极。目前普遍使用的石墨负极材料的理论比容量仅为372mAh/g,而金属锂的理论比容量为3860mAh/g,锂金属电池能量密度的理论上限可达500Wh/kg以上。

  要使用金属锂做负极,就必须将热稳定性差、易燃易漏、易在锂金属表面产生分解从而缩短电池寿命的液态电解质,替换为固态电解质。

  2. 安全性高:固态电解质具有不可燃、耐高温、无腐蚀、不挥发等特性,因此从材料的本征特性上根除了传统锂离子电池中电解液泄漏、电极短路等安全隐患。

  液态电解质在电压超过4.4V时会被氧化,为电池带来安全风险的同时,三元材料的正极表面也会发生不可逆的相变;而固态电解质能够支撑5V以上的电化学窗口,可适应更高电压型的电极材料。

  此外,更高的电压还意味着可在单体电芯内部进行串联,从而将单体电芯做得更大。大电芯化、去模组化,是当前动力电池包设计的主流趋势,由于大量不参与化学反应的模组壳体和冗余材料被去除,电池包的成组效率进一步提升,从而提高能量密度、降低成本。

  4. 成本下降空间大:理论上看,锂金属固态电池成组效率更高、采用的材料更少、结构更简单,生产工艺流程有望得到简化;相应地,电池包的保护系统、冷却系统、BMS等均可得到简化。

  因此,固态电池实现量产后有望在材料和生产工艺两个方面,实现比传统锂离子电池更低的成本。

  针对电动汽车在续航、安全性和成本等方面的短板,固态电池在理论上都具备绝对优势。正因为此,业界一直对固态电池寄予厚望,认为其终将替代当前以液态电解质为基础的锂离子电池。

  锂金属固态电池的设想出现于20世纪70年代,40多年过去,至今尚未有人开发出可供大批量生产的固态电池产品。

  难点在于,无论哪一种材料类别,均无法在解决低电导率、低能量密度、低稳定性、高昂成本、低电压和锂枝晶等问题之间找到平衡点。

  传统液态电解质的室温离子电导率约为10-2S/cm,与之相比,无论是聚合物、氧化物还是硫化物材料体系,均存在数量级上的差距。

  此外,固态电解质与电极之间的”固-固”界面,接触紧密性较差,且会产生远高于传统“液-固”界面的阻抗,使得锂离子在界面之间的传输受阻。

  低离子电导率和高界面阻抗导致的高内阻,使得锂离子在固态电池内部传输效率低,在高倍率大电流下的传输能力差,因此会影响电池的快充性能。

  综上原因,找寻理想的固态电解质材料,是一项异常艰巨的任务。拥有30年以上固态电池研究经验的东京工业大学教授Ryoji Kanno将其比喻为“在浩瀚大海中捕捞一条无法获知其定位的鱼”——难度近同于大海捞针。

  值得提及的是,一些企业通过在固态电解质中掺杂液态电解质,可在一定程度上改善电导率低的问题。

  但由于锂金属极度活跃的特性,液态电解质与锂金属负极之间又会出现新的界面问题和稳定性问题。

  因此,负极材料的选择,很可能无法直接跨越至锂金属,而是以石墨掺硅、硅替代石墨这样的渐进方式,寻找既提高能量密度又保持稳定性和安全性的材料体系。

  全固态电池的实现或许无法一蹴而就,而是要经过“半固态-准固态-全固态”的逐步迭代方能实现。

  全球范围内,对电池技术拥有远大抱负的企业,都在前赴后继地投身固态电池研发。

  有趣的是,包括丰田、大众、宝马和福特,以及刚刚宣布入局汽车领域的富士康(苹果),均将实现固态电池量产的时间节点,设定在2025年前后。

  若以上企业中的任何一家能够成功实现这一目标,都可能为动力电池行业带来天翻地覆的变化。

  电芯能量密度达到500Wh/kg,将意味着电动汽车续航里程可轻松达到1200km以上的级别。

  如此大幅的能量密度提升,是现有材料体系下的锂离子电池无法企及的。若再加上4C倍率充电,固态电池将以不可抗拒的性能优势,率先从高端车型开始搭载,并对整个交通领域的动力电池装机展开替换攻势。

  规模效应形成之后,由于固态电池所用的材料更少、生产工艺可能更简单,其将拥有足够的空间下探至比液态电解质锂电池更低的成本。

  届时,整个动力电池产业链,将不得不面临向固态电池产业链转型融合——否则将被替换——的严峻局面。

  尽管前景令人心潮澎湃,但固态电池(准确地说:全固态电池)在当前的进展,并不足以让人感到乐观。

  早在2011年,法国公司Bolloré就将自主研发的聚合物固态电池搭载在了名为Bluecar电动汽车上。Bluecar在巴黎汽车共享服务项目Autolib中共投放约2900辆,成为全球首个采用全固态锂电池的电动车型。

  然而,由于聚合物材料体系对运行温度要求高,需要在80℃下工作,电池包需配备额外的加热系统,因此整体能量密度仅100Wh/kg,相比液态电解质锂电池并无优势可言。

  在另外两条固态电池技术路线上,就连能够搭载样车进行测试的案例都凤毛麟角。

  最为人所知的丰田汽车,已积累多年固态电池研发经验,至今却公布信息寥寥。最新的进展是,丰田宣布将在东京奥运会上展示其搭载固态电池的样车,正式量产则要在2025年前后。

  QuantumScape是全球第一家固态电池上市公司,其在股票市场引发的关注,将固态电池战争由幕后推上了台前。

  或许在QS的助推下,我们也有望看到丰田向外界披露更多其固态电池技术的秘密。

  2008年,作为特斯拉Roadster首批车主,贾格迪普·辛格每天驾驶这辆颠覆了人们对电动汽车认知的超跑上下班。

  尽管对这辆电动车非常喜欢,但他发现车辆在使用过程中出现的绝大多数问题,都与车上的电池系统有关。

  辛格由此产生了投身电池领域的想法,作为曾成功创建上市公司Infinera Corp.的计算机科学家,他放弃了公司CEO的职位,加入Khosla Ventures风投公司,孕育创业动力电池的想法。

  凭借来自斯坦福大学的技术团队,QS很快得到了明星风险投资人约翰·杜尔的支持,接着比尔·盖茨也加入进来。

  2012年,大众汽车向QS投资1亿美元。其时的电动汽车技术路线选择并不明朗,随着丰田着手研究固态电池技术的消息传出,大众对QS的投资更多是一种谨慎跟随的战术。

  经过5年研究,QS的团队于2015年确定了其固态电解质的材料体系,研发重点转向对这一材料体系的优化和生产工艺研究。

  2018年6月,大众与QS宣布成立合资公司QSV Operations LLC,双方各持股50%,希望通过共同的“长期计划”,实现QS固态电池的商业化生产,其时预计的量产时间是2025年。

  2020年6月,大众向QS追加2亿美元投资,并以持股23%成为QS最大股东。此外,KPCB、上汽、大陆集团等公司和风险基金也陆续加入QS的投资人行列。

  这一年,中国和欧洲的电动汽车市场,在经历疫情蹂躏后呈现出强大的增长势头,全球汽车行业向电动化转型的步伐超出预期,促使大众加注布局动力电池领域。

  借此大势,美国的一众新能源汽车和充电桩企业,通过与SPAC(特殊目的收购公司)合并的方式完成IPO上市,2020年由此被称为“SPAC之年”。

  2020年11月27日,QS通过与Kensington Capital合并,在纽交所成功上市,赶上了SPAC之年的末班车,也首次将电池类企业加入了“SPAC群体”的名单之中。

  根据QS于2020年12月17日发布的招股书中显示,该公司目前拥有275名员工,其计划通过与大众的合作,于2024年建立1GWh试生产线,并通过首先在大众高端车型上搭载,实现其锂金属固态电池的商业化量产。

  辛格表示,大众计划在2025年销售300万辆电动汽车,若以高端车单车带电量100kWh计,这将意味着300GWh动力电池需求,因此即使QS于2025年实现20GWh产能,其将仅占大众所需动力电池的6.7%。

  辛格同时还表示,双方的合作协议中并未包含限制性条款,QS对与大众汽车之外其他车企的合作持开放态度。

  这家至少在2024年以前都不会有任何推向市场的产品、也不会有销售收入的公司,声称“已经解决了固态电池商业化面临的主要问题”,并获得了超越福特汽车的市值,令人感叹资本市场的疯狂。

  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。

  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。

  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%。

  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。

  “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”。

  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。

  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,也仍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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  3. 中金:简析固态电池潜力路线. 王凌方:《锂电池宿命:绕不过的固态电池》