2021-01-21 09:11:12 阿尔法工场研究院

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。

来源 | 建约车评

“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”。

辛格的发言，出现在QS首次公布其电池测试结果的网络发布会上。

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。

在QS展示的测试结果中，一些核心信息包括：

充电至80%仅需15分钟以下

800次充放电循环后，电池容量衰减低于20%

续航里程比锂离子电池驱动的电动汽车提升80%以上

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。

QS之所以备受业界关注，源自于电动汽车行业对下一代电池技术的翘首期盼。

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。

01 固态电池的“执念”

固态电池被许多人看作锂电池技术发展的下一代方案，原因主要有以下几方面：

1. 能量密度高：采用锂金属作为电池负极，可显著提升电池能量密度。

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。

去除电解液之后，锂电池的正负极和电解质均为固态，“固态电池”由此得名。

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。

由于电动汽车起火事故多是因动力电池正负极短路所致，锂电池苦电解液久矣。

3. 电化学窗口宽：充电时采用更高电压，意味着能够脱出更多的锂。

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。

然而，在享受丰硕果实之前，人们还需经历漫长的等待。

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。

根据材料划分，固态电解质主要可分为聚合物、氧化物和硫化物三种体系。

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。

不同类型固态电解质材料对比(来源：中金公司)

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。

02 行业现状

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Bollor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。

03 又一家“期货”上市公司

QuantumScape究竟是何来头?

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。

2010年，辛格与来自斯坦福大学的教授Fritz Prinz和Tim Holme共同创立QuantumScape公司，开始进行固态电池研发。

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。

这一年，以特斯拉为首的新能源汽车企业在美股市场煞是风光。

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。

此后，作为产能建设的第二期，QS计划将其固态电池产能扩展至20GWh。

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。

04 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15m。

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30m——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%。

05 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。

06 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》

责任编辑： 李颖

标签： 固态电池 动力电池