技術(shù)起底QuantumScape的鋰金屬固態(tài)電池?zé)岢?/p>
分類：前沿資訊
- 作者：謝偉
- 發(fā)布時(shí)間：2021-02-24
【概要描述】1000公里續(xù)航成為可能；大眾汽車押寶的技術(shù)方向；與硅負(fù)極電池孰優(yōu)孰劣？
2020年末，吸引了儲(chǔ)能界很多關(guān)注的一個(gè)事件是研發(fā)生產(chǎn)鋰金屬固態(tài)電池的QuantumScape公司上市了（后面簡(jiǎn)稱QS）。這家以隱身模式創(chuàng)業(yè)10年的公司突然以上市的方式浮出水面，得益于背后金主大眾汽車公司的全力支持，其股價(jià)從上市之初的13美元在短短一個(gè)月內(nèi)沖到了最高點(diǎn)132美元，上漲了10倍。其市值也從上市之初的40億美元，一下沖到了400多億美元。這家公司為何如此備受關(guān)注？讓我們來(lái)起底一下它的歷史和技術(shù)。
QuantumScape于2010年由斯坦福大學(xué)的一個(gè)研究組創(chuàng)立，總部設(shè)在加州硅谷。公司的目標(biāo)是研發(fā)生產(chǎn)鋰金屬固態(tài)電池，這種電池與現(xiàn)在市面上的鋰電池有什么區(qū)別呢？下面這張圖展示的就是現(xiàn)在普通鋰電池的結(jié)構(gòu)，它從上到下一共有5層材料，依次為負(fù)極導(dǎo)電銅箔，負(fù)極石墨/硅材料，多孔高分子隔膜，正極材料，正極導(dǎo)電鋁膜。其中正負(fù)極材料是類似于書架的晶格結(jié)構(gòu)，可以用來(lái)存儲(chǔ)鋰離子。當(dāng)電池充放電時(shí)，鋰離子會(huì)在正負(fù)極材料之間穿過(guò)中間的隔膜來(lái)回移動(dòng)，而電子則從接在電池外面的電線通過(guò)產(chǎn)生電流。但是正負(fù)極材料內(nèi)部由于顆粒的堆砌存在縫隙，鋰離子無(wú)法在空無(wú)介質(zhì)的縫隙里移動(dòng)，所以人們給正負(fù)極材料里加入液態(tài)的電解質(zhì)，為鋰離子提供移動(dòng)的介質(zhì)。由于液體能滲透到任何縫隙里，所以它完美地解決了鋰離子移動(dòng)通道的問(wèn)題。
而鋰金屬固態(tài)電池的結(jié)構(gòu)如下圖左側(cè)所示，在生產(chǎn)的時(shí)候它從上到下只有4層材料，依次為：負(fù)極導(dǎo)電銅箔，固態(tài)隔膜，正極材料，正極導(dǎo)電鋁箔。相比于上面的傳統(tǒng)鋰電池，少了一層負(fù)極石墨/硅材料。這是因?yàn)楫?dāng)充電時(shí)，鋰離子移動(dòng)到負(fù)極這一側(cè)可以鋰金屬的獨(dú)立形態(tài)存在（下圖右側(cè)的綠色部分），并不需要存儲(chǔ)用的書架，所以人們就把書架拿掉，這樣可以節(jié)省很多空間，讓電池在相同的能量下體積變得更小，也就讓儲(chǔ)能密度提高了。由于鋰金屬基本上跟所有的液態(tài)電解質(zhì)接觸都不穩(wěn)定，所以不能再使用液態(tài)電解質(zhì)，而改用固態(tài)電解質(zhì)，這就是為什么稱之為鋰金屬固態(tài)電池。
相比于傳統(tǒng)鋰電池，金屬鋰固態(tài)電池的兩個(gè)最大優(yōu)勢(shì)就是：
1. 能量密度可以比現(xiàn)有鋰電池提高一倍，意味著能提升電動(dòng)車的續(xù)航能力一倍（如下圖所示）；
2. 電池里使用固態(tài)電解質(zhì)，徹底消除掉液態(tài)有機(jī)溶液，解決了液態(tài)電解質(zhì)受熱燃燒爆炸的問(wèn)題。
對(duì)鋰金屬固態(tài)電池的研究從三四十年前就已經(jīng)開始了，但是幾個(gè)世紀(jì)過(guò)去一直都沒有成熟的技術(shù)被投入到生產(chǎn)應(yīng)用，其中最大的一個(gè)挑戰(zhàn)就是固態(tài)電解質(zhì)（也可看做是固態(tài)隔膜），它需要滿足以下三個(gè)要求：
1. 它的鋰離子電導(dǎo)率要接近或者超過(guò)現(xiàn)有的液體電解質(zhì)；
2. 與鋰金屬負(fù)極不發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)；
3. 充電時(shí)在負(fù)極生成鋰金屬的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生尖銳的鋰枝晶，隔膜強(qiáng)度要足夠抵抗鋰枝晶的穿刺。
所以QS公司在隱身的十年里，大部分時(shí)間都花在了研發(fā)固態(tài)隔膜的工作上。從公司公布的下面這張十年歷程圖里可以看到，他們從成立伊始的2010年到2017年期間，取得的里程碑式的進(jìn)展都是在固態(tài)隔膜方面。而能夠保持10年的隱身創(chuàng)業(yè)模式，則得益于大眾汽車公司的全程支持。QS從2012年起開始與大眾公司建立合作關(guān)系，一直到2020年上市前，大眾已向QS總共投資了2億美元，并且承諾在2021年再追加1億美元投資用于建立固態(tài)電池生產(chǎn)線。
QS在2020年上市時(shí)首次披露了他們的技術(shù)，才讓人們得以知曉他們的研發(fā)進(jìn)展。在2020年上市前，QS已經(jīng)驗(yàn)證了他們的單層電池在室溫加壓的情況下，以1C的速率充放電循環(huán)1000次后還可以保持初始儲(chǔ)能量的90%（見下圖），遠(yuǎn)超現(xiàn)在電動(dòng)車電池的技術(shù)要求。這個(gè)數(shù)據(jù)非常振奮人心，同時(shí)QS也宣布他們已與大眾合作啟動(dòng)生產(chǎn)線的建設(shè)，預(yù)計(jì)在2025年可投產(chǎn)。投資者沖著大眾的眼光，一擁而上在一個(gè)月內(nèi)就把QS的股價(jià)推高了10倍。
然而，狂歡之后投資者冷靜下來(lái)，有人開始質(zhì)疑QS研發(fā)成果轉(zhuǎn)換變成實(shí)際產(chǎn)品的可行性。畢竟他們獲得成功的還只是一片單層的電池，而真正的電動(dòng)車電池需要是多層電池，然后再堆疊成更厚的電池組，這與一片單層電池的差距似乎有點(diǎn)太大。QS的股價(jià)隨后開始慢慢回落，最終跌回到40美元的理智區(qū)間。不過(guò)，QS迅速在2021年初的季度財(cái)報(bào)宣講會(huì)上提供了進(jìn)一步的測(cè)試結(jié)果：成功驗(yàn)證了多層電池在同樣的測(cè)試條件下，經(jīng)過(guò)800次循環(huán)還可以保持90%的儲(chǔ)能量。這個(gè)結(jié)果讓投資者又看到了希望，于是使股價(jià)又再次漲到60-70美元的區(qū)間。
QS在公布的資料里雖然沒有透露太多關(guān)于其核心技術(shù)固態(tài)隔膜的信息，但是其中一張照片讓人們窺得其固態(tài)隔膜的大致形態(tài)：基于陶瓷材料的固態(tài)隔膜，厚度大概在30到50微米，可以彎曲，說(shuō)明應(yīng)該有添加高分子材料以增加韌性。雖然QS沒有透露技術(shù)細(xì)節(jié)，但是我們可以自己去調(diào)查。于是我們研讀了QS申請(qǐng)的專利，從中了解到了關(guān)于其固態(tài)隔膜更詳細(xì)的技術(shù)信息。
通常來(lái)說(shuō)，最簡(jiǎn)單的固態(tài)隔膜就是純陶瓷隔膜，但是純陶瓷隔膜太脆，厚度最低只能做到100微米左右，再薄就容易碎。100微米的厚度對(duì)于動(dòng)力電池來(lái)說(shuō)是無(wú)法接受的，因?yàn)閷?dǎo)電阻力太高。為了滿足動(dòng)力電池的導(dǎo)電要求，固態(tài)隔膜的厚度最多不能超過(guò)50微米。我們從專利中了解到QS的固態(tài)隔膜研發(fā)思路大概有兩個(gè)。下圖為其中一個(gè)思路，把直徑約20微米的陶瓷顆粒跟聚合物混在一起擠出形成薄膜，然后壓縮薄膜厚度到20微米左右，這樣就可確保陶瓷顆?？梢跃鶆虻胤植汲蓡螌咏Y(jié)構(gòu)。最后把薄膜兩側(cè)表面的高分子打磨掉，讓陶瓷顆粒顯露出來(lái)，這樣陶瓷顆粒就成為固態(tài)隔膜里傳導(dǎo)鋰離子的通道，而周圍環(huán)繞的高分子則起到粘結(jié)顆粒讓隔膜不破裂的作用。
然而以上的思路有個(gè)問(wèn)題，在面向負(fù)極鋰金屬的一側(cè)，仍然會(huì)有一部分表面是高分子材料，它不能抵抗鋰枝晶的穿刺，會(huì)造成隔膜破裂。所以QS有了另一個(gè)思路，如下圖所示，先用高分子材料做出一個(gè)橫豎交錯(cuò)的支架，然后把陶瓷顆粒鋪平在支架上。在高溫高壓下進(jìn)行處理，燒掉所有的高分子材料，讓陶瓷顆粒變成一層陶瓷薄膜。這個(gè)薄膜一側(cè)是平整光滑的，另一側(cè)則有高分子支架留下來(lái)的溝壑。最后，再用高分子材料把有溝壑的那一側(cè)填平，這樣形成的固態(tài)隔膜一側(cè)全是陶瓷，另一側(cè)全是高分子材料，相交的界面通過(guò)溝壑鉚合在一起——這不是中國(guó)古代木工的鉚合技藝嘛！這個(gè)思路解決了隔膜厚度和韌性的問(wèn)題，很有可能就是目前QS采用的隔膜技術(shù)。
最后，人們問(wèn)得很多一個(gè)問(wèn)題是：鋰金屬固態(tài)電池和硅負(fù)極鋰電池哪個(gè)更有前途？我們可以看到的是，研發(fā)硅負(fù)極鋰電池的公司和經(jīng)驗(yàn)更多，在近期是大家比較看好的一條穩(wěn)妥的發(fā)展方向。鋰金屬固態(tài)電池有很多吸引人的優(yōu)點(diǎn)，但是其研發(fā)和生產(chǎn)還存在著巨大的風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)，我們樂(lè)見有像大眾這樣的公司投入巨額資金來(lái)發(fā)展鋰金屬固態(tài)電池技術(shù)，如有一天這項(xiàng)技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)，這將是全人類的福祉。
**文章供交流用，因該公眾號(hào)無(wú)法開通留言功能，如有問(wèn)題或建議請(qǐng)向公眾號(hào)發(fā)送消息，我們會(huì)盡快回復(fù)，多謝！掃描以下二維碼關(guān)注中和儲(chǔ)能公眾號(hào)。
參考文獻(xiàn)：
1. QuantumScape公司官網(wǎng)https://www.quantumscape.com/
2. Compositeelectrolytes，美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?0200067137。
3. Solidelectrolyte separator bonding agent，美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?0200176743。
相關(guān)文章：
才成立4年的Group14硅碳復(fù)合材料公司為何如此受關(guān)注？
安普瑞斯，首個(gè)實(shí)現(xiàn)全硅負(fù)極鋰電池的公司？
研發(fā)硅負(fù)極材料的Sila Nano公司獲得5.9億美元融資！
硅的儲(chǔ)能密度是現(xiàn)有鋰電池負(fù)極材料的10倍，為什么還不換？
作者簡(jiǎn)介：
謝偉博士，清華大學(xué)材料學(xué)學(xué)士和碩士，美國(guó)德克薩斯大學(xué)（奧斯?。┗瘜W(xué)工程博士。主要從事儲(chǔ)能電池開發(fā)工作，先后在跨國(guó)企業(yè)及初創(chuàng)公司任要職，主持多項(xiàng)美國(guó)能源部資助研發(fā)項(xiàng)目，獲得2013年全美年度100最佳研發(fā)技術(shù)大獎(jiǎng)。在材料學(xué)及儲(chǔ)能領(lǐng)域頂級(jí)期刊發(fā)表論文17篇，擔(dān)任5家國(guó)際期刊審稿工作，擁有國(guó)際發(fā)明專利申請(qǐng)17項(xiàng)。
中和儲(chǔ)能公司簡(jiǎn)介：
深圳市中和儲(chǔ)能科技有限公司，立足于研發(fā)、推廣與應(yīng)用儲(chǔ)能技術(shù)，旨在通過(guò)電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用助力于實(shí)現(xiàn)中國(guó)“碳中和”的目標(biāo)。發(fā)展初期，公司專注利用在儲(chǔ)能領(lǐng)域已經(jīng)積累多年的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)及杰出的研發(fā)能力向中國(guó)儲(chǔ)能市場(chǎng)提供技術(shù)支持與咨詢服務(wù)。同時(shí)，公司著重于對(duì)中國(guó)儲(chǔ)能市場(chǎng)進(jìn)行調(diào)查與分析，為中國(guó)市場(chǎng)研發(fā)或引入最先進(jìn)、最有效的儲(chǔ)能技術(shù)。
公司技術(shù)研究與發(fā)展方向：水性儲(chǔ)能電池，鋰離子電池材料，燃料電池，離子交換膜，涂料與粘接劑，膜分離技術(shù)。
國(guó)內(nèi)業(yè)務(wù)：技術(shù)合作、學(xué)術(shù)交流、公司技術(shù)研發(fā)方向的技術(shù)講座、研發(fā)咨詢、及論文寫作指導(dǎo)。