QuantumScape火遍全球背后，人类的希望在固态电池？

 

撰文 | 渣渣辉

 

正如三体中智子对人类科技的封锁一样，当前人类也面临科学与技术边界的挑战。

 

近期，曾奠定了现代半导体技术发展方向与基调的英特尔不得不承认一个事实：在原有的纳米制程工艺体系下摩尔定律已然失效。对此英特尔不得不开辟新的制程工艺和封装技术创新路线——埃米体系。

 

如果半导体是构成人类现代文明这座大厦的楼宇智能化系统的话，那么贡献过5位诺贝尔化学奖的电池则是这座大厦成功运行的水电气，但经过几十年发展的电池技术也碰到了技术与材料的天花板。

 

在寻找新一代电池技术的道路上，有的选择在电池材料才寻求突破，从铅酸电池到磷酸铁锂电池、三元锂电池、钠离子电池探索层出不穷；也有的选择在电池结构上下功夫，小到改良的刀片电池和弹匣电池，大到颠覆传统的固态电池，究竟谁才是新一代电池？

 

01 接近完美的固态电池

 

设想一下：有一项目前正在接受测试的技术，当它向公众发布时，将成为一场期待已久的能源革命。这项新技术有望比我们现在市场上的任何产品都更安全、更高效。它将影响我们日常随处可见的东西——电动工具、玩具、笔记本电脑、智能手机——以及我们认知中的高科技产物——医疗设备、航天器，以及使我们摆脱化石燃料绑架的创新车辆设计。

 

这种描述可能听起来很像核聚合能源（fusion power），然而它实际上指的是电池技术领域已走到商业前夕的新型电池——固态电池（solid-state batteries）。实际上，固态电池的概念并不是什么新鲜事，早在1834迈克尔·法拉第（Michael Faraday）便发现了固态电解质硫化银和氟化铅，不过直到20世纪90年代橡树岭国家实验室才开发了一种制造薄膜锂离子电池的固态电解质，后续Bolloré、Sakti3、NGK、Solid Power均断断续续推出过相关产品，不过大众最看好的（包括索罗斯）还是QuantumScape，据悉其已解决了枝晶难题。

传统电池的液体电解质和固态电池的固体电解质

 

电池无非是储存化学能并将其转化为电能的装置。它们有四个主要部分：阴极、阳极、电解质和隔膜。阴极和阳极是电极。当电子从一个电极传递到另一个电极时，就会产生电流。在这种情况下，电子从带负电的阳极传递到带正电的阴极。然后，两个电极的作用是产生我们的电流。电解质溶液允许带正电的离子在两个电极之间流动。这平衡了电子的流动。最后，隔膜将两个电极分开并防止电池短路。

 

我们目前的电池和未来的固态电池之间有一个重要的区别：电解质。当前的锂离子电池使用的是液体电解质。不幸的是，液体电解质中存在的某些化合物允许被称为枝晶（dendrites）的晶体结构的生长。枝晶会产生长而锋利的晶须，可以刺穿隔板并导致短路，从而导致危险的爆炸。

浅灰色晶体结构是在锂电极内部形成的枝晶

 

而固体电池则舍弃了液体电解液，用固体电解质（可分为有机物/聚合物与硫化物、氧化物等无机物）代替了传统锂离子电池的电解液和隔膜。一旦电解质从液体转换为固体就会发生令人震惊的事情：电池具有更高的能量密度，火灾和爆炸的风险大大降低，占用空间更小，并且能够在更宽的温度范围内运行。

 

以明星固态电池公司QuantumScape的技术路线为例，其采用的无负极制造工艺，锂金属负极不是在电池制造过程中形成的，而是在电池充电时由锂离子在金属箔片聚集而形成的，且该过程可逆，能实现多次循环。同时无负极还去掉了石墨/硅的等主体材料，能够显著提高电池的体积能量密度至1000Wh/L，质量能量密度至500Wh/Kg，消除了负极主体材料中锂离子的扩散瓶颈，可以实现4C充电倍率；除此之外还使用陶瓷材料的固态分离器代替了液态有机电解质以及多孔隔膜，由于材料本身不可燃，起到了屏障的作用，即使在非常高的电流密度下，能抵抗负极锂枝晶的形成，解决了锂电池因枝晶而导致内短路的业界难题。

 

02 速度换密度的钠离子电池

 

固态电池固然完美，但对于优先考虑商业化落地的企业来说，当前最需要的反而是一种能够立刻戳到到消费者核心痛点的电池，而钠离子电池便其中的优选方案。

 

钠离子电池仍然属于我们所熟知的液体电池，钠离子电池也主要由正极、负极、电解液、隔膜、外壳组成。不过钠离子电池其放电过程与锂离子电池有所差异，锂离子电池是通过锂离子在正负极之间移动、转换实现放电，而钠离子电池则是通过钠离子在正负极之间的嵌入、脱出实现放电。

 

与固态电池一样，钠离子电池也不是什么最新的概念。1976年，2019年诺贝尔化学奖得主Whittingham（斯坦利·惠廷厄姆）在研究二次电池时不仅发现TiS2能够进行Li的嵌入和脱出，同时也能够进行Na的嵌入和脱出，不过由于负极采用的为并不稳定的金属锂，而由于碱金属较高的反应活性，因此导致界面稳定性差，同时由于充放电过程中的枝晶生长问题，加之锂电池逐渐商用，因此采用金属锂负极的钠离子电池始终未能得到广泛的应用。

 

不过随着研究的深入，钠离子电池正负极材料也有了新的进展，目前主要有以英国Faradion公司为代表的氧化物正极和硬碳负极1-5Ah软包电池，采用聚阴离子正极的圆柱形电池的法国公司Tiamat，采用Cu氧化正极和无烟煤制备的硬碳负极体系的HiNa公司（普鲁士蓝路线）。

 

锂离子电池和钠离子电池在电池设计上几乎没有差异，唯一的区别体现在集流体上。锂离子电池中负极采用Cu箔作为集流体，正极采用Al箔作为集流体，而钠离子电池正负极都可以采用铝箔作为集流体，可以使电池更轻薄，更重要的是不用担心负极铜箔氧化而造成储能效率的衰降，电池循环上千次后仍然能保持80.9%的容量。

来源：《车用锂离子电池放电区间与容量衰减关系的研究》

 

当然钠离子电池最大的优势还是充电速度与安全性上，在顶部针刺实验中，钠离子电池10min最高温度仅为130℃，而锂离子电池的初始温度便高达165℃，自加热过程中10min最高温度达260℃，钠离子电池具有更好的热稳定性。同时由于钠离子相较于锂离子斯托克斯直径更小，在相同浓度电解液具有更好的导电率，故像宁德时代等厂商宣传其快充能够实现15分钟充电80%。

 

但钠离子电池换来了速度却丢失了密度，目前钠离子电池的能量密度在70—200Wh/Kg，远低于能量密度240—350Wh/Kg的锂离子电池，同时钠离子电池目前充电、放电循环次数也仅在3000-4000次（理论循环次数10000次），较LEP锂电池也存在一定差距。

 

中金对钠离子电池的点评为：钠离子电池短期影响无忧，长期不改锂需求刚性。

 

03 固态电池距我们生活有多远

 

总的来说，短期内锂电池仍然会占据我们大部分手机、电脑、汽车，而钠离子电池看似在安全性、快充等消费者最在意的点上具备优势，但其电池能力密度要追上锂电池仍需3-5年。而固态电池目前进展迅速，美国私营创业公司 Solid Power 已经在生产多层固态电池了，QuantumScape、丰田、特斯拉也将在2025年大规模商业化固态电池，在安全性、快速特性、能量密度等多个方面都趋于完美的固态电池距我们生活并不那么遥远。

 

以特斯拉为例，其2014年与松下合建超级工厂开始在电池领域布局，并在2016年与锂电池研究团队Jeff Dahn签订技术供应协议，2019年特斯拉又收购了超级电容公司Maxwell，掌握了干电极技术和超级电容技术，2020年特斯拉启动代号为Roadrunner的电池项目，与澳大利亚、美国等矿产巨头达成合作解决原料问题，特斯拉已完成原材料布局、电池基础研发、电芯制造到产线建立所有工作，预计2025年可实现固态电池上车。

 

固态电池的应用影响是巨大的、方方面面的。以电动汽车为例，迄今为止，电动汽车的最大缺点是其行驶里程有限。一辆普通的电动汽车充满电后可行驶150-600公里。根据车辆是在车站充电还是在家中使用标准插座，为车辆充满电需要 1 小时到 17 小时不等。虽然目前电动汽车有诸多不便和限制，但大众仍一直认为电动汽车将主导汽车行业，不过前提是制造商需要将航程扩大到至少800 公里，同时不增加消费者的经济负担。

 

那如果使用固态电池呢？

 

公司可以选择制造更小、更轻、充电速度更快的电池，让电池保持相同尺寸但容量更大，续航里程可增加54%、充电时间也缩短至 15 分钟。同时，据特斯拉计算，使用固态电池电池成本可减少56%、单位投资额可减少69%，而且电动车在低温环境也不会趴窝。

 

而对于笔记本电脑和智能手机而言，这意味着设备可以在单次（5min）充电后使用3-5天，甚至一周，电池的整体寿命也可从 2 年增加到 10 年甚至以上。而医疗设备这些需要靠着固定电源的设备，也可变得更加便携和紧凑……

 

目前固态电池不仅引起了特斯拉的注意，而且传统汽车厂商大众汽车、福特汽车、宝马汽车、现代汽车、丰田汽车均在固态电池的研究上投入了数十亿美元。比尔盖茨支持的公司 QuantumScape 已经制造出带有陶瓷层的固态电池，这些陶瓷层能够抵抗枝晶生长并且能够在较低温度下运行。丰田计划到 2025 年限量发布配备固态电池的汽车。然而，最令人激动的消息来自于你我可能从未听说过的人——约翰·古迪纳夫 (John Goodenough)。

CeraCharge 制造的米粒大小的固态电池

 

据悉，前不久古迪纳夫领导的一个研究小组已经提交了一种玻璃混合陶瓷材质固态电池的专利，该电池稳定、不易燃、充电速度更快，并且其能量存储是普通锂离子电池的 3 倍，其体积甚至可以做到米粒大小。值得注意的是，该电池价格实惠，而且可持续超过 2000 次充电和放电循环，玻璃电池的工作温度范围介于-20º C 和 60º C之间，在物联网时代大有可为。

 

1894年尼古拉·特斯拉赢得了“电流之战”，将人类拉入了璀璨的电气时代，如今固体电池、钠离子电池百花齐放又将把人类带入一个怎样的时代呢？我们不妨让子弹再飞一会。

 

本文经授权转载自微信公众号“科创实验室”