廣汽埃安旗下昊鉑品牌今日宣布，昊鉑“全固態(tài)”電池即將亮相，將于4月12日發(fā)布。據(jù)介紹，該電池采用100%固態(tài)電解質(zhì)，具備超高能量密度、超強(qiáng)本征安全（主要指單體安全），超寬使用溫域等特點(diǎn)，并已經(jīng)“從實(shí)驗(yàn)室走向量產(chǎn)應(yīng)用”。
智己汽車(chē)正式推出業(yè)內(nèi)首個(gè)準(zhǔn)900V超快充固態(tài)電池——第一代光年固態(tài)電池，并首搭智己全新轎車(chē)智己L6。該固態(tài)電池可實(shí)現(xiàn)高溫不可燃、減少穿刺短路的同時(shí)，峰值充電功率達(dá)400kW，充電12分鐘續(xù)航增加400km。據(jù)悉，第一代光年固態(tài)電池采用納米尺度固態(tài)電解質(zhì)包裹超高鎳正極和新一代高比能硅碳負(fù)極，CLTC續(xù)航將超過(guò)1000km。
今天還是主要分析一下Quantum Scape固態(tài)電池：
1、Quantum Scape 的介紹及技術(shù)路線(xiàn)
Quantumscape是一家專(zhuān)注于研發(fā)和生產(chǎn)固態(tài)電池的公司，成立于2012年，總部位于美國(guó)加州圣地亞哥。該公司的創(chuàng)始人包括Kostas Kostarelos和Jens Honer，他們都是材料科學(xué)和能源領(lǐng)域的專(zhuān)家。Quantumscape的固態(tài)電池技術(shù)基于固態(tài)電解質(zhì)，相比傳統(tǒng)的鋰離子電池，具有更高的能量密度、更長(zhǎng)的壽命、更快的充電速度和更高的安全性。該公司的固態(tài)電池技術(shù)已經(jīng)在電動(dòng)汽車(chē)、儲(chǔ)能系統(tǒng)等領(lǐng)域進(jìn)行了測(cè)試和應(yīng)用。Quantumscape公司在美國(guó)加州圣地亞哥和中國(guó)上海設(shè)有研發(fā)中心，并在德國(guó)慕尼黑設(shè)有辦事處。該公司的客戶(hù)包括多家知名汽車(chē)制造商和能源公司。
各公司固態(tài)電池技術(shù)路線(xiàn)比較
QS固態(tài)電池的技術(shù)指標(biāo)
2. Quantum Scape 的最新進(jìn)展及規(guī)劃
最近，PowerCo 對(duì) QuantumScape 的 24 層電池進(jìn)行了自己的耐久性測(cè)試，結(jié)果相當(dāng)令人鼓舞。經(jīng)過(guò)數(shù)個(gè)月的測(cè)試，這些電池在德國(guó)薩爾茨吉特實(shí)驗(yàn)室經(jīng)歷了 1000 多次充放循環(huán)，仍然保持了超過(guò) 95% 的原始容量。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，PowerCo 表示，配備 QuantumScape 電池的電動(dòng)汽車(chē)按照 WLTP 標(biāo)準(zhǔn)的續(xù)航里程可以達(dá)到 500-600 公里，而實(shí)際駕駛中，行駛 50 萬(wàn)公里幾乎不會(huì)出現(xiàn)明顯的續(xù)航衰減。
業(yè)內(nèi)通常將固態(tài)電池在這一階段的標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)設(shè)定為 700 次循環(huán)和 20% 的最大容量損失，而 QuantumScape 的電池遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了預(yù)期，證實(shí)了他們?cè)诠蓶|信中公布的測(cè)試結(jié)果。此外，這些高能量密度的電池還滿(mǎn)足或超過(guò)了快速充電、安全性和自放電等方面的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。
PowerCo 首席執(zhí)行官 Frank Blome 表示：“這些測(cè)試結(jié)果令人振奮，有力地證明了固態(tài)電池的潛力。最終，這項(xiàng)技術(shù)可能帶來(lái)續(xù)航里程長(zhǎng)、充電超快、幾乎不會(huì)衰減的電池。我們對(duì)固態(tài)電池充滿(mǎn)信心，并將與合作伙伴 QuantumScape 一起全力推進(jìn)量產(chǎn)。”
PowerCo 表示，其為大眾集團(tuán)開(kāi)發(fā)的統(tǒng)一電池概念設(shè)計(jì)已經(jīng)兼容 QuantumScape 的固態(tài)電池技術(shù)。下一步，兩家公司將致力于完善和擴(kuò)大生產(chǎn)工藝，朝著大規(guī)模生產(chǎn)固態(tài)電池的目標(biāo)邁進(jìn)。大規(guī)模生產(chǎn)固態(tài)電池被認(rèn)為是電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域的“圣杯”，QuantumScape 與大眾的合作無(wú)疑將加速這一技術(shù)的落地。
2023.10 最新測(cè)試數(shù)據(jù)更新
整車(chē)客戶(hù)測(cè)試的結(jié)果 測(cè)試數(shù)據(jù)由某知名整車(chē)廠(chǎng)提供，測(cè)試電池為前期所提到的A0原型電池，電池為24層，按照Quantum Scape公司的定義，24層電池實(shí)際應(yīng)該對(duì)應(yīng)的是12層雙面正極+13層負(fù)極，電池正極面容量3.1mAh/cm2，電池容量大約為3.6Ah。該整車(chē)廠(chǎng)的循環(huán)制度按照C/3充電，C/2放電，進(jìn)行100%SOC循環(huán)，該充放電制度較Quantum Scape公司自測(cè)1C/1C制度稍緩和一些，測(cè)試溫度為室溫，測(cè)試壓力為3.4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。當(dāng)前電池循環(huán)1000周，能量保持率達(dá)到95%以上，這個(gè)數(shù)據(jù)優(yōu)于Quantum Scape公司自測(cè)的結(jié)果，應(yīng)該是由于充放電倍率小的緣故。對(duì)于這一結(jié)果，從報(bào)告中可以知道Quantum Scape公司也很意外。
第三方電池測(cè)試數(shù)據(jù)
技術(shù)解讀：
1) 首先，這款QS的固態(tài)電池采用了氧化物電解質(zhì)，一般的鋰離子電導(dǎo)率也就1mS/cm, 考慮到晶界接觸不良的影響，實(shí)際電導(dǎo)率更低，也就是液態(tài)電解液(~8mS/cm)的10%左右。
這么低的電導(dǎo)率通常室溫下只能在很低的C-rate下運(yùn)行，而QS的電池不僅室溫1C充電，低溫-30℃也可以正常運(yùn)行，甚至放電容量比采用硅碳負(fù)極的液態(tài)鋰離子電池還要好。
可以肯定的是，這款固態(tài)電池添加了液態(tài)電解液成分。根據(jù)上海硅酸鹽所溫兆銀老師課題組博士的經(jīng)驗(yàn)，氧化物固態(tài)電池哪怕只添加一點(diǎn)點(diǎn)液態(tài)電解液，其效果都是立竿見(jiàn)影的，對(duì)于常溫和低溫的運(yùn)行幾乎是不可或缺的
2)其次，這款無(wú)負(fù)極電池大概率是添加了鋰金屬的電池。根據(jù)鋰離子電池專(zhuān)家Jeff Dahn的研究，鋰金屬電池循環(huán)可逆性差，一般需要理論厚度3倍以上的鋰才能實(shí)現(xiàn)更好的循環(huán)。這其中1倍厚度指得是負(fù)極鋰金屬的容量跟正極材料發(fā)揮的克容量相當(dāng)，如果是無(wú)負(fù)極的化，相當(dāng)于0倍厚度，循環(huán)很難做好。
3) 第三，即使是用了鋰金屬，也用了液態(tài)電解液來(lái)降低內(nèi)阻，1500次的循環(huán)依然有很大難度。這里面對(duì)于鋰枝晶的抑制，包括電解液跟鋰的成膜穩(wěn)定性都很重要, 所以電解液的配方可能是其中的核心。
目前來(lái)看，除了QS以外，鋰金屬電池取得的最好的循環(huán)壽命可能就是SES的混合固液鋰金屬電池了，在2021年底SPAC上市前，SES公開(kāi)了其高比能鋰金屬電池的循環(huán)數(shù)據(jù)，其中0.25Ah的循環(huán)800次保持率80%，而4.2Ah的循環(huán)550次，保持率在90%以上，預(yù)計(jì)最終的循環(huán)壽命也就800~1000次。
QS大概率就是在SES的電解液配方基礎(chǔ)上優(yōu)化的（基于LiFSI材料，且濃度至少為3~5M，通過(guò)公開(kāi)發(fā)明專(zhuān)利分析，同時(shí)SES的電解液采用的是有機(jī)溶劑，并不是水。
綜上，QS的固態(tài)電池技術(shù)方案應(yīng)該是跟SES類(lèi)似的，負(fù)極是超薄鋰金屬，正極是高鎳三元，電解液基于LiFSI材料，且濃度至少為3~5M,并且固態(tài)電解質(zhì)的厚度應(yīng)該較大(>20µm)，所以電池的能量密度可能并不高，而且高濃度鋰鹽成本也十分高昂。
Quantum Scape公司2023年的主要工作任務(wù)目標(biāo)：
1）提升正極面容量至5mAh/cm2：正極面容量直接與電池的能量密度相關(guān)，一般而言常規(guī)鐵鋰電池正極面容量小于3mAh/cm2，而高鎳三元體系則有可能做到4mAh/cm2，Quantum Scape公司前期展示的數(shù)據(jù)都是基于~3mAh/cm2面容量的電極設(shè)計(jì)，其認(rèn)為，這一電極面容量可以兼顧電池的能量密度和功率密度，更高的能量密度電池顯然需要更高的正極面容量設(shè)計(jì)，而5mAh/cm2的面容量應(yīng)該對(duì)應(yīng)400-500Wh/kg，甚至更高能量密度的電池設(shè)計(jì)。
當(dāng)然，要實(shí)現(xiàn)5mAh/cm2的固態(tài)正極設(shè)計(jì)也需要解決許多技術(shù)問(wèn)題：如何制備高質(zhì)量的厚電極、如何優(yōu)化電極的孔結(jié)構(gòu)、如何改善電極活性顆粒與固態(tài)電解質(zhì)的界面等等。
update:
上面提到的數(shù)據(jù)是由電芯單元（Unit cell, Bi-layer stack）進(jìn)行測(cè)試的，鑒于Quantum Scape公司對(duì)layer定義和正常電芯企業(yè)的差異，在之前的文章中對(duì)此進(jìn)行過(guò)專(zhuān)門(mén)的說(shuō)明，概要而言，這次的測(cè)試對(duì)象實(shí)際是由1片雙面涂覆的高面容量正極加上2片固態(tài)電解質(zhì)膜，同時(shí)兩側(cè)對(duì)應(yīng)2片無(wú)金屬鋰的負(fù)極集流體，從圖中可以很清晰理解這一定義。 高面容量正極面容量為5.3-5.4mAh/cm2，材料體系從曲線(xiàn)上看是三元正極，但是由于不知道具體信息，因此對(duì)應(yīng)的面密度等信息不得而知了。
電池循環(huán)測(cè)試時(shí)測(cè)試壓力約3.4atm，充電和放電倍率都是1C，對(duì)應(yīng)電流密度為5.3-5.4mA/cm2，充放電區(qū)間為100%，測(cè)試溫度25℃。
電池目前循環(huán)了800周，盡管電池循環(huán)過(guò)程的一致性較差，但是測(cè)試的幾只電池能量保持率都在90%以上，對(duì)比800周的能量保持率，這種由高面容量電極組裝成的電池與前期Quantum Scape公司公開(kāi)的3.1-3.4mAh/cm2面容量電池相近，這樣就會(huì)得出一個(gè)初步的結(jié)論：增加至目標(biāo)面容量5mAh/cm2對(duì)于全固態(tài)電池的循環(huán)性能并沒(méi)有顯著的影響。
QS自測(cè)高容量正極數(shù)據(jù)
2）提高電芯中活性物質(zhì)占比（降低非活性物質(zhì)占比）：電芯中活性物質(zhì)是一方面，而非活性物質(zhì)也是非常重要，降低非活性物質(zhì)占比可以直接提升電芯的能量密度，例如：更加緊湊的公差設(shè)計(jì)、超薄集流體的應(yīng)用。所以這些工作不能影響電芯的性能（需要考慮降低非活性物質(zhì)占比其對(duì)電芯性能的影響）。
3）提升制造質(zhì)量和一致性：此無(wú)需多言了。Quantum Scape公司關(guān)于此方面的詳細(xì)介紹可以看報(bào)告。
4）開(kāi)發(fā)更高效的電解質(zhì)膜制造工藝：固態(tài)電解質(zhì)膜是固態(tài)電池的核心，更快更好的規(guī)?；苽潆娊赓|(zhì)膜是全固態(tài)電池的核心工作。
QS 2023年度目標(biāo)
3. QS 對(duì)于硫化物電解質(zhì)的態(tài)度
QuantumScape已經(jīng)致力于發(fā)明和制造最好的電動(dòng)汽車(chē)電池超過(guò)10年。我們仔細(xì)檢查了我們能想到的每一種固體材料-進(jìn)行了超過(guò)300萬(wàn)次實(shí)驗(yàn)室測(cè)試-特別關(guān)注了硫化物。雖然一開(kāi)始硫化物似乎有一些積極的特征，但經(jīng)過(guò)深入的研究，我們認(rèn)為硫化物不適合作為全固態(tài)電池的電解質(zhì)。
那么，為什么我們放棄硫化物固態(tài)電解質(zhì)呢？有三個(gè)主要原因：
1）硫化物不能阻止枝晶形成，需要外部系統(tǒng)來(lái)維持高溫和高壓，增加電池組的重量、體積和成本。
2）當(dāng)在高性能電池中使用時(shí)，硫化物會(huì)發(fā)生化學(xué)分解。
3）當(dāng)硫化物與水分接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生有害氣體。
問(wèn)題1：枝晶（QS電解質(zhì)vs硫化物電解質(zhì)）
我們認(rèn)為硫化物不能作為固態(tài)電解質(zhì)的第一個(gè)也是最重要的原因是缺乏證據(jù)表明它們可以阻止枝晶。枝晶是金屬鋰的枝狀結(jié)構(gòu)，其在鋰金屬電池的負(fù)極生成。它們?cè)谏L(zhǎng)過(guò)程中會(huì)從內(nèi)部破壞電池。當(dāng)它們一路到達(dá)正極時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電池短路并失效。即使在傳統(tǒng)的鋰離子電池中，枝晶也會(huì)形成，導(dǎo)致火災(zāi)甚至爆炸。
QS電解質(zhì)vs硫化物電解質(zhì)：鋰枝晶
有幾個(gè)辦法可以讓使用硫化物固態(tài)電池解決這個(gè)問(wèn)題：
使用石墨或硅負(fù)極：使用石墨或硅負(fù)極而不是鋰金屬可以防止枝晶，但這也會(huì)降低與傳統(tǒng)的鋰離子技術(shù)相比的續(xù)航里程、成本和充電時(shí)間優(yōu)勢(shì)，因?yàn)殇嚱饘儇?fù)極是提高性能的關(guān)鍵。其他幾家固態(tài)電池公司也采取了這種方法。例如，Solid Power在發(fā)布數(shù)據(jù)顯示其電池在無(wú)助于高溫的純鋰金屬陽(yáng)極下無(wú)法維持可接受的功率速率幾個(gè)月后，宣布了新的硅陽(yáng)極試點(diǎn)生產(chǎn)線(xiàn)。三星也發(fā)布了使用碳基陽(yáng)極的結(jié)果，并添加了銀，但這種做法成本太高，不切實(shí)際。
施加巨大的壓力：如果施加巨大的壓力，硫化物固態(tài)電池似乎可以提供可接受的結(jié)果。例如，三星對(duì)其硫化物固態(tài)電池進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試壓力為20-40個(gè)大氣壓，Solid Power報(bào)告的測(cè)試壓力為70-90個(gè)大氣壓，哈佛的一個(gè)實(shí)驗(yàn)室最近公布了硫化物固態(tài)電解質(zhì)的測(cè)試結(jié)果，壓力超過(guò)750個(gè)大氣壓-幾乎在海下五英里的壓力，足以壓碎核潛艇。在實(shí)驗(yàn)室里可能有這樣的壓力是可能的，但在電動(dòng)汽車(chē)的電池組中超過(guò)10個(gè)大氣壓可能是不切實(shí)際的。
在高溫下運(yùn)行：鋰在高溫下較軟，使枝晶不太可能形成。然而，高溫需要復(fù)雜而昂貴的熱管理系統(tǒng)，保持電池高溫會(huì)消耗能量并縮短電池壽命。
低功率運(yùn)行：當(dāng)電池以低功率運(yùn)行時(shí)，枝晶不太可能形成。然而，限制電池的功率意味著不能快速充電，而快速充電是電動(dòng)汽車(chē)有效競(jìng)爭(zhēng)內(nèi)燃機(jī)車(chē)輛的關(guān)鍵要求之一。缺乏快速充電是大多數(shù)固態(tài)電池的致命弱點(diǎn)。
問(wèn)題2：不穩(wěn)定 （QS電解質(zhì)vs硫化物電解質(zhì)）
硫化物固態(tài)電解質(zhì)的另一個(gè)問(wèn)題是其化學(xué)成分本身的不穩(wěn)定性。例如，即使硫化物能夠阻止鋰枝晶，它們?nèi)匀粫?huì)與鋰金屬反應(yīng)，在負(fù)極上填充無(wú)用的化學(xué)副產(chǎn)物，限制功率輸出并縮短電池壽命?？紤]到電池壽命和功率對(duì)司機(jī)的重要性，硫化物的不穩(wěn)定性可能會(huì)限制它們?cè)诔擞秒妱?dòng)汽車(chē)中的吸引力。
硫化物不僅與純鋰反應(yīng)，也會(huì)與正極發(fā)生反應(yīng)，例如高性能電動(dòng)汽車(chē)中使用的高鎳材料材料。雖然通過(guò)添加其他化學(xué)物質(zhì)可以減少這個(gè)問(wèn)題，但仍然存在電池在負(fù)極和正極兩側(cè)過(guò)度使用而開(kāi)始降解的風(fēng)險(xiǎn)。
因此，使用硫化物固態(tài)電解質(zhì)的電池非常敏感，必須在使用上加以大量限制。這使得它們對(duì)電動(dòng)汽車(chē)駕駛者缺乏吸引力，因?yàn)樗麄兿Ｍ斓爻潆姴⒓铀俣槐負(fù)?dān)心損害電池。
QS電解質(zhì) vs 硫化電解質(zhì)：穩(wěn)定性
問(wèn)題3：安全性
在某些方面，這是最嚴(yán)重的問(wèn)題。如上所述，硫化物非?；顫姟Ａ蚧锱c之反應(yīng)之一是水，當(dāng)它們與水或濕度接觸時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一種叫做硫化氫的氣體。硫化氫氣體劇毒、易燃，甚至可以爆炸——它在一戰(zhàn)中被用作化學(xué)武器，多年來(lái)在多起工業(yè)事故中造成數(shù)十人死亡。
在制造過(guò)程中防止水與硫化物材料接觸是一項(xiàng)嚴(yán)重、復(fù)雜且昂貴的挑戰(zhàn)——空氣中的少量濕度都可能導(dǎo)致致命水平的硫化氫積聚。制造缺陷或車(chē)禍可能導(dǎo)致電池在使用過(guò)程中暴露在水中，可能導(dǎo)致火災(zāi)或毒害車(chē)內(nèi)人員。
固態(tài)電池的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)是可以提高安全性，但使用硫化物固態(tài)電解質(zhì)會(huì)產(chǎn)生一系列非常嚴(yán)重的風(fēng)險(xiǎn)。
QuantumScape的優(yōu)勢(shì)
與基于硫化物的方法相比，QuantumScape的非硫化物固態(tài)電解質(zhì)已顯示出在實(shí)際情況條件下可防止枝晶的形成；此前的博客文章涵蓋我們?cè)谀男l件下測(cè)試我們的電池。我們的固態(tài)電解質(zhì)對(duì)高性能鋰金屬陽(yáng)極穩(wěn)定，如果接觸到水，不會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)副產(chǎn)物。
這些優(yōu)勢(shì)提高了性能、安全性和可制造性，并最終使得QuantumScape不使用硫化物固態(tài)電解質(zhì)。盡管十年前當(dāng)我們開(kāi)始工作時(shí)硫化物看起來(lái)很有希望，并且我們也對(duì)其進(jìn)行了徹底的調(diào)查，但我們相信硫化物固態(tài)電解質(zhì)所面臨的障礙是極具挑戰(zhàn)性的，甚至可能是不可逾越的。
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