中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：“鋰離子電池為第一代電動(dòng)汽車提供了動(dòng)力，扮演了重要的鋪路石角色。而我們相信，QuantumScape的鋰金屬固態(tài)電池，將會(huì)為汽車產(chǎn)業(yè)打開(kāi)新一代電池技術(shù)的大門，為交通行業(yè)的全面電動(dòng)化鋪平道路?！?
2020年12月8日，美國(guó)固態(tài)電池初創(chuàng)公司QuantumScape（QS）創(chuàng)始人兼CEO賈格迪普·辛格（Jagdeep Singh）向外界發(fā)出如上宣言。
這個(gè)得到大眾汽車重注支持的固態(tài)電池企業(yè)，之所以選擇在這一時(shí)刻高調(diào)發(fā)聲，是因?yàn)樵诓痪弥暗?1月底，QS以33億美元估值在紐交所正式上市，成為“固態(tài)電池全球第一股”。
辛格的發(fā)言，出現(xiàn)在QS首次公布其電池測(cè)試結(jié)果的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布會(huì)上。
根據(jù)辛格的介紹，QS開(kāi)發(fā)的鋰金屬固態(tài)電池，成功解決了電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的5大痛點(diǎn)：成本、續(xù)航、充電時(shí)間、循環(huán)壽命和安全性。
在QS展示的測(cè)試結(jié)果中，一些核心信息包括：
充電至80%僅需15分鐘以下
800次充放電循環(huán)后，電池容量衰減低于20%
續(xù)航里程比鋰離子電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車提升80%以上
消息發(fā)布當(dāng)日，QS股價(jià)大漲31.08%；此后半個(gè)月，這家營(yíng)收為零、且未來(lái)4-5年內(nèi)都將不會(huì)有營(yíng)收的公司，股價(jià)卻一路飆升，市值一度接近480億美元，超過(guò)福特、菲亞特克萊斯勒等汽車制造商。
QS之所以備受業(yè)界關(guān)注，源自于電動(dòng)汽車行業(yè)對(duì)下一代電池技術(shù)的翹首期盼。
當(dāng)前的電動(dòng)汽車，在安全性、續(xù)航里程、充電速度和成本方面無(wú)法令人滿意，很大程度上源自于電池技術(shù)的不成熟。
在可見(jiàn)的范疇，固態(tài)電池是最有潛力解決以上問(wèn)題，并一舉顛覆電池業(yè)和汽車業(yè)的電池技術(shù)。
抓住“下一代電池技術(shù)”，就意味著抓住了在電動(dòng)車時(shí)代存活下去的命脈。因此，對(duì)于固態(tài)電池這一“電池技術(shù)的圣杯”，世界上所有的車企都趨之若鶩。
而對(duì)第三方電池生產(chǎn)商而言，顛覆性的電池技術(shù)，將意味著顛覆性的產(chǎn)業(yè)環(huán)境，同樣是關(guān)乎生死的命題。
一、固態(tài)電池的“執(zhí)念”
固態(tài)電池被許多人看作鋰電池技術(shù)發(fā)展的下一代方案，原因主要有以下幾方面：
1. 能量密度高：采用鋰金屬作為電池負(fù)極，可顯著提升電池能量密度。
在當(dāng)前的三元鋰電體系下，高鎳正極與硅碳負(fù)極的組合，已經(jīng)是能量密度的理論頂點(diǎn)。
以高電壓層狀過(guò)渡金屬氧化物做正極、石墨做負(fù)極的鋰離子電池，其質(zhì)量能量密度理論極限約為300Wh/kg——當(dāng)前以松下/特斯拉NCA為代表的高鎳三元材料體系，電芯能量密度達(dá)260Wh/kg，正在接近這一極限。
若引入硅基合金代替純石墨做負(fù)極，則能量密度理論上限約可提升至400Wh/kg。
要想進(jìn)一步提高能量密度，須采用金屬鋰做負(fù)極。目前普遍使用的石墨負(fù)極材料的理論比容量?jī)H為372mAh/g，而金屬鋰的理論比容量為3860mAh/g，鋰金屬電池能量密度的理論上限可達(dá)500Wh/kg以上。
要使用金屬鋰做負(fù)極，就必須將熱穩(wěn)定性差、易燃易漏、易在鋰金屬表面產(chǎn)生分解從而縮短電池壽命的液態(tài)電解質(zhì)，替換為固態(tài)電解質(zhì)。
去除電解液之后，鋰電池的正負(fù)極和電解質(zhì)均為固態(tài)，“固態(tài)電池”由此得名。
2. 安全性高：固態(tài)電解質(zhì)具有不可燃、耐高溫、無(wú)腐蝕、不揮發(fā)等特性，因此從材料的本征特性上根除了傳統(tǒng)鋰離子電池中電解液泄漏、電極短路等安全隱患。
由于電動(dòng)汽車起火事故多是因動(dòng)力電池正負(fù)極短路所致，鋰電池苦電解液久矣。
3. 電化學(xué)窗口寬：充電時(shí)采用更高電壓，意味著能夠脫出更多的鋰。
液態(tài)電解質(zhì)在電壓超過(guò)4.4V時(shí)會(huì)被氧化，為電池帶來(lái)安全風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)，三元材料的正極表面也會(huì)發(fā)生不可逆的相變；而固態(tài)電解質(zhì)能夠支撐5V以上的電化學(xué)窗口，可適應(yīng)更高電壓型的電極材料。
此外，更高的電壓還意味著可在單體電芯內(nèi)部進(jìn)行串聯(lián)，從而將單體電芯做得更大。大電芯化、去模組化，是當(dāng)前動(dòng)力電池包設(shè)計(jì)的主流趨勢(shì)，由于大量不參與化學(xué)反應(yīng)的模組殼體和冗余材料被去除，電池包的成組效率進(jìn)一步提升，從而提高能量密度、降低成本。
4. 成本下降空間大：理論上看，鋰金屬固態(tài)電池成組效率更高、采用的材料更少、結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，生產(chǎn)工藝流程有望得到簡(jiǎn)化；相應(yīng)地，電池包的保護(hù)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、BMS等均可得到簡(jiǎn)化。
因此，固態(tài)電池實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)后有望在材料和生產(chǎn)工藝兩個(gè)方面，實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)鋰離子電池更低的成本。
針對(duì)電動(dòng)汽車在續(xù)航、安全性和成本等方面的短板，固態(tài)電池在理論上都具備絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。正因?yàn)榇?，業(yè)界一直對(duì)固態(tài)電池寄予厚望，認(rèn)為其終將替代當(dāng)前以液態(tài)電解質(zhì)為基礎(chǔ)的鋰離子電池。
然而，在享受豐碩果實(shí)之前，人們還需經(jīng)歷漫長(zhǎng)的等待。
鋰金屬固態(tài)電池的設(shè)想出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代，40多年過(guò)去，至今尚未有人開(kāi)發(fā)出可供大批量生產(chǎn)的固態(tài)電池產(chǎn)品。
根據(jù)材料劃分，固態(tài)電解質(zhì)主要可分為聚合物、氧化物和硫化物三種體系。
難點(diǎn)在于，無(wú)論哪一種材料類別，均無(wú)法在解決低電導(dǎo)率、低能量密度、低穩(wěn)定性、高昂成本、低電壓和鋰枝晶等問(wèn)題之間找到平衡點(diǎn)。
不同類型固態(tài)電解質(zhì)材料對(duì)比（來(lái)源：中金公司）
傳統(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)的室溫離子電導(dǎo)率約為10-2S/cm，與之相比，無(wú)論是聚合物、氧化物還是硫化物材料體系，均存在數(shù)量級(jí)上的差距。
此外，固態(tài)電解質(zhì)與電極之間的”固-固”界面，接觸緊密性較差，且會(huì)產(chǎn)生遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)“液-固”界面的阻抗，使得鋰離子在界面之間的傳輸受阻。
低離子電導(dǎo)率和高界面阻抗導(dǎo)致的高內(nèi)阻，使得鋰離子在固態(tài)電池內(nèi)部傳輸效率低，在高倍率大電流下的傳輸能力差，因此會(huì)影響電池的快充性能。
綜上原因，找尋理想的固態(tài)電解質(zhì)材料，是一項(xiàng)異常艱巨的任務(wù)。擁有30年以上固態(tài)電池研究經(jīng)驗(yàn)的東京工業(yè)大學(xué)教授Ryoji Kanno將其比喻為“在浩瀚大海中捕撈一條無(wú)法獲知其定位的魚(yú)”——難度近同于大海撈針。
值得提及的是，一些企業(yè)通過(guò)在固態(tài)電解質(zhì)中摻雜液態(tài)電解質(zhì)，可在一定程度上改善電導(dǎo)率低的問(wèn)題。
但由于鋰金屬極度活躍的特性，液態(tài)電解質(zhì)與鋰金屬負(fù)極之間又會(huì)出現(xiàn)新的界面問(wèn)題和穩(wěn)定性問(wèn)題。
因此，負(fù)極材料的選擇，很可能無(wú)法直接跨越至鋰金屬，而是以石墨摻硅、硅替代石墨這樣的漸進(jìn)方式，尋找既提高能量密度又保持穩(wěn)定性和安全性的材料體系。
全固態(tài)電池的實(shí)現(xiàn)或許無(wú)法一蹴而就，而是要經(jīng)過(guò)“半固態(tài)-準(zhǔn)固態(tài)-全固態(tài)”的逐步迭代方能實(shí)現(xiàn)。
二、行業(yè)現(xiàn)狀
全球范圍內(nèi)，對(duì)電池技術(shù)擁有遠(yuǎn)大抱負(fù)的企業(yè)，都在前赴后繼地投身固態(tài)電池研發(fā)。
有趣的是，包括豐田、大眾、寶馬和福特，以及剛剛宣布入局汽車領(lǐng)域的富士康（蘋(píng)果），均將實(shí)現(xiàn)固態(tài)電池量產(chǎn)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，設(shè)定在2025年前后。
若以上企業(yè)中的任何一家能夠成功實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，都可能為動(dòng)力電池行業(yè)帶來(lái)天翻地覆的變化。
電芯能量密度達(dá)到500Wh/kg，將意味著電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程可輕松達(dá)到1200km以上的級(jí)別。
如此大幅的能量密度提升，是現(xiàn)有材料體系下的鋰離子電池?zé)o法企及的。若再加上4C倍率充電，固態(tài)電池將以不可抗拒的性能優(yōu)勢(shì)，率先從高端車型開(kāi)始搭載，并對(duì)整個(gè)交通領(lǐng)域的動(dòng)力電池裝機(jī)展開(kāi)替換攻勢(shì)。
規(guī)模效應(yīng)形成之后，由于固態(tài)電池所用的材料更少、生產(chǎn)工藝可能更簡(jiǎn)單，其將擁有足夠的空間下探至比液態(tài)電解質(zhì)鋰電池更低的成本。
屆時(shí)，整個(gè)動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)鏈，將不得不面臨向固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)鏈轉(zhuǎn)型融合——否則將被替換——的嚴(yán)峻局面。
盡管前景令人心潮澎湃，但固態(tài)電池（準(zhǔn)確地說(shuō)：全固態(tài)電池）在當(dāng)前的進(jìn)展，并不足以讓人感到樂(lè)觀。
早在2011年，法國(guó)公司Bolloré就將自主研發(fā)的聚合物固態(tài)電池搭載在了名為Bluecar電動(dòng)汽車上。Bluecar在巴黎汽車共享服務(wù)項(xiàng)目Autolib中共投放約2900輛，成為全球首個(gè)采用全固態(tài)鋰電池的電動(dòng)車型。
然而，由于聚合物材料體系對(duì)運(yùn)行溫度要求高，需要在80℃下工作，電池包需配備額外的加熱系統(tǒng)，因此整體能量密度僅100Wh/kg，相比液態(tài)電解質(zhì)鋰電池并無(wú)優(yōu)勢(shì)可言。
在另外兩條固態(tài)電池技術(shù)路線上，就連能夠搭載樣車進(jìn)行測(cè)試的案例都鳳毛麟角。
最為人所知的豐田汽車，已積累多年固態(tài)電池研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，至今卻公布信息寥寥。最新的進(jìn)展是，豐田宣布將在東京奧運(yùn)會(huì)上展示其搭載固態(tài)電池的樣車，正式量產(chǎn)則要在2025年前后。
QuantumScape是全球第一家固態(tài)電池上市公司，其在股票市場(chǎng)引發(fā)的關(guān)注，將固態(tài)電池戰(zhàn)爭(zhēng)由幕后推上了臺(tái)前。
或許在QS的助推下，我們也有望看到豐田向外界披露更多其固態(tài)電池技術(shù)的秘密。
三、又一家“期貨”上市公司
QuantumScape究竟是何來(lái)頭？
2008年，作為特斯拉Roadster首批車主，賈格迪普·辛格每天駕駛這輛顛覆了人們對(duì)電動(dòng)汽車認(rèn)知的超跑上下班。
盡管對(duì)這輛電動(dòng)車非常喜歡，但他發(fā)現(xiàn)車輛在使用過(guò)程中出現(xiàn)的絕大多數(shù)問(wèn)題，都與車上的電池系統(tǒng)有關(guān)。
辛格由此產(chǎn)生了投身電池領(lǐng)域的想法，作為曾成功創(chuàng)建上市公司Infinera Corp.的計(jì)算機(jī)科學(xué)家，他放棄了公司CEO的職位，加入Khosla Ventures風(fēng)投公司，孕育創(chuàng)業(yè)動(dòng)力電池的想法。
2010年，辛格與來(lái)自斯坦福大學(xué)的教授Fritz Prinz和Tim Holme共同創(chuàng)立QuantumScape公司，開(kāi)始進(jìn)行固態(tài)電池研發(fā)。
憑借來(lái)自斯坦福大學(xué)的技術(shù)團(tuán)隊(duì)，QS很快得到了明星風(fēng)險(xiǎn)投資人約翰·杜爾的支持，接著比爾·蓋茨也加入進(jìn)來(lái)。
2012年，大眾汽車向QS投資1億美元。其時(shí)的電動(dòng)汽車技術(shù)路線選擇并不明朗，隨著豐田著手研究固態(tài)電池技術(shù)的消息傳出，大眾對(duì)QS的投資更多是一種謹(jǐn)慎跟隨的戰(zhàn)術(shù)。
經(jīng)過(guò)5年研究，QS的團(tuán)隊(duì)于2015年確定了其固態(tài)電解質(zhì)的材料體系，研發(fā)重點(diǎn)轉(zhuǎn)向?qū)@一材料體系的優(yōu)化和生產(chǎn)工藝研究。
2018年6月，大眾與QS宣布成立合資公司QSV Operations LLC，雙方各持股50%，希望通過(guò)共同的“長(zhǎng)期計(jì)劃”，實(shí)現(xiàn)QS固態(tài)電池的商業(yè)化生產(chǎn)，其時(shí)預(yù)計(jì)的量產(chǎn)時(shí)間是2025年。
2020年6月，大眾向QS追加2億美元投資，并以持股23%成為QS最大股東。此外，KPCB、上汽、大陸集團(tuán)等公司和風(fēng)險(xiǎn)基金也陸續(xù)加入QS的投資人行列。
這一年，中國(guó)和歐洲的電動(dòng)汽車市場(chǎng)，在經(jīng)歷疫情蹂躪后呈現(xiàn)出強(qiáng)大的增長(zhǎng)勢(shì)頭，全球汽車行業(yè)向電動(dòng)化轉(zhuǎn)型的步伐超出預(yù)期，促使大眾加注布局動(dòng)力電池領(lǐng)域。
這一年，以特斯拉為首的新能源汽車企業(yè)在美股市場(chǎng)煞是風(fēng)光。
借此大勢(shì)，美國(guó)的一眾新能源汽車和充電樁企業(yè)，通過(guò)與SPAC（特殊目的收購(gòu)公司）合并的方式完成IPO上市，2020年由此被稱為“SPAC之年”。
2020年11月27日，QS通過(guò)與Kensington Capital合并，在紐交所成功上市，趕上了SPAC之年的末班車，也首次將電池類企業(yè)加入了“SPAC群體”的名單之中。
根據(jù)QS于2020年12月17日發(fā)布的招股書(shū)中顯示，該公司目前擁有275名員工，其計(jì)劃通過(guò)與大眾的合作，于2024年建立1GWh試生產(chǎn)線，并通過(guò)首先在大眾高端車型上搭載，實(shí)現(xiàn)其鋰金屬固態(tài)電池的商業(yè)化量產(chǎn)。
此后，作為產(chǎn)能建設(shè)的第二期，QS計(jì)劃將其固態(tài)電池產(chǎn)能擴(kuò)展至20GWh。
辛格表示，大眾計(jì)劃在2025年銷售300萬(wàn)輛電動(dòng)汽車，若以高端車單車帶電量100kWh計(jì)，這將意味著300GWh動(dòng)力電池需求，因此即使QS于2025年實(shí)現(xiàn)20GWh產(chǎn)能，其將僅占大眾所需動(dòng)力電池的6.7%。
辛格同時(shí)還表示，雙方的合作協(xié)議中并未包含限制性條款，QS對(duì)與大眾汽車之外其他車企的合作持開(kāi)放態(tài)度。
這家至少在2024年以前都不會(huì)有任何推向市場(chǎng)的產(chǎn)品、也不會(huì)有銷售收入的公司，聲稱“已經(jīng)解決了固態(tài)電池商業(yè)化面臨的主要問(wèn)題”，并獲得了超越福特汽車的市值，令人感嘆資本市場(chǎng)的瘋狂。
四、QuantumScape究竟取得了什么突破
QS開(kāi)發(fā)的固態(tài)電池技術(shù)，使用一種陶瓷材料的固態(tài)隔膜，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的液態(tài)電解質(zhì)和多孔隔膜，同時(shí)取消了傳統(tǒng)鋰離子電池中的石墨負(fù)極。
亦即是說(shuō)，在生產(chǎn)環(huán)節(jié)，電芯結(jié)構(gòu)中不存在負(fù)極。當(dāng)電池首次充電時(shí)，從正極材料中析出的鋰穿過(guò)隔膜層，并在負(fù)極集流體表面聚集形成臨時(shí)的鋰金屬負(fù)極。
當(dāng)電池放電時(shí)，鋰離子重新回到正極，這層臨時(shí)組建的負(fù)極消失，周而往復(fù)。
辛格介紹道，這層隔膜所使用的陶瓷材料體系，正是QS技術(shù)的核心所在。其所扮演的角色相當(dāng)于傳統(tǒng)鋰離子電池中的液態(tài)電解質(zhì)+隔膜，既具有像液態(tài)電解質(zhì)一樣的電導(dǎo)率和極高的化學(xué)穩(wěn)定性，同時(shí)還能抵抗鋰枝晶的破壞。
QS使用的正極材料，是在傳統(tǒng)鎳鈷錳（NCM）三元材料的基礎(chǔ)上加入由有機(jī)聚合物組成的膠狀物。未來(lái)QS還計(jì)劃研發(fā)全固態(tài)的正極材料，以替代該膠狀聚合物。
將隔膜布置在正極材料與負(fù)極集流體之間，并剪裁為85*70mm的長(zhǎng)方形卡片，即形成了QS此次用于測(cè)試的單體疊片。
QS表示，據(jù)其所知，該疊片是歷史上首個(gè)被世界領(lǐng)先車企（大眾）在車用功率密度下進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證的固態(tài)電池單體（豐田在此處表示強(qiáng)烈抗議？）
在12月8日的視頻發(fā)布會(huì)上，辛格重點(diǎn)介紹了該單體疊片在快充、安全、低溫、壽命等方面的測(cè)試表現(xiàn)。
快充速度方面，與使用碳/硅材料做負(fù)極的鋰離子電池充電80%約需40分鐘相比，QS的單體疊片僅需不到15分鐘即可充電至80%。
循環(huán)壽命方面，QS的單體疊片在30℃溫度條件下，以三倍于車用充放電頻率的加速測(cè)試，經(jīng)過(guò)包括以1C倍率進(jìn)行100%放電等“商用標(biāo)準(zhǔn)”測(cè)試條件的考驗(yàn)后，能夠?qū)崿F(xiàn)在800次循環(huán)（相當(dāng)于行駛約38.6萬(wàn)公里）后，電池容量衰減低于20%。
為了證明該電池在低溫條件下同樣能夠保持良好的衰減率，QS還展示了在-10℃低溫條件下，以5C倍率充電、3C倍率放電的電池衰減情況。結(jié)果顯示，在約110次充放電循環(huán)后，電池容量衰減約為5%。
此外，QS還以電池重量比能量的衰減作為對(duì)比參數(shù)，展示了其單體疊片對(duì)極端低溫條件的耐受能力。結(jié)果顯示，在-30℃低溫下，該單體疊片的重量比能量約比0℃條件下衰減30%——與之對(duì)應(yīng)的是，傳統(tǒng)鋰離子電池在-25℃下，這一衰減比率達(dá)到50%以上。
當(dāng)在采訪中被問(wèn)及開(kāi)發(fā)過(guò)程中最大的挑戰(zhàn)時(shí)，辛格表示，尋找固態(tài)電解質(zhì)材料時(shí)最大的困難是解決鋰枝晶問(wèn)題——這也是困擾無(wú)數(shù)電化學(xué)研究者的“世紀(jì)難題”。
說(shuō)到此，辛格向記者講了一件趣事：在長(zhǎng)達(dá)數(shù)年的時(shí)間里，QS公司的一名工程師每年都會(huì)在公司舉辦的萬(wàn)圣節(jié)Party上假扮成鋰枝晶形狀的怪物，每一次都會(huì)讓這支以研發(fā)人員組成的群體感到毛骨悚然。
鋰枝晶的形成，會(huì)大大阻礙鋰電池在電流密度方面的性能。電流密度越大，越容易形成鋰枝晶，并穿透隔膜造成正負(fù)極短路。
QS聲稱其已解決了鋰枝晶的問(wèn)題。
根據(jù)QS在相關(guān)測(cè)試中的結(jié)果顯示，以4C倍率完成15分鐘充至80%的條件下，電流密度約為16mA/cm2，對(duì)應(yīng)形成的鋰鍍層厚度約為15μm。
仿真測(cè)試顯示，QS的固態(tài)隔膜，即使在電流密度達(dá)到100mA/cm2、充電倍率高達(dá)25C時(shí)，鋰鍍層厚度也僅為30μm——理論上說(shuō)，只要鋰鍍層厚度不超過(guò)隔膜層的厚度，便不會(huì)出現(xiàn)鋰枝晶穿透隔膜的現(xiàn)象。
安全性方面，由于陶瓷無(wú)機(jī)材料本身不可燃，避免了液態(tài)電解質(zhì)起火、爆炸的風(fēng)險(xiǎn)；在耐高溫測(cè)試中，QS陶瓷隔膜在250℃與熔融鋰的直接接觸中保持穩(wěn)定，遠(yuǎn)高于鋰的熔點(diǎn)（180℃）。
此外，由于傳統(tǒng)鋰離子電池中以石墨/碳為主體材料的負(fù)極不復(fù)存在，原由負(fù)極材料占據(jù)的大量空間被節(jié)省出來(lái)，電池的體積能量密度和質(zhì)量能量密度均可得到大幅提升——QS在招股書(shū)中表示，相比當(dāng)前的鋰離子電池，其固態(tài)電池能量密度提升可達(dá)80%。
而因使用材料更少、制造成本和原材料成本降低，QS測(cè)算其固態(tài)電池成本將比傳統(tǒng)鋰離子電池下降17%。
五、挑戰(zhàn)重重
QS的成果在業(yè)界內(nèi)受到了廣泛關(guān)注。除了大眾和比爾·蓋茨的背書(shū)和支持外，2019年諾貝爾獎(jiǎng)得主、“鋰電之父”斯坦利·威廷漢也出面為其站臺(tái)。
而作為QS董事會(huì)成員的特斯拉聯(lián)合創(chuàng)始人、前CTO杰弗里·斯特勞貝爾（J.B. Straubel），更是不吝贊美之詞：
“動(dòng)力電池的很多性能，取決于如何在避免鋰枝晶前提下的‘可運(yùn)作窗口’中找到最好的平衡。特斯拉的最大成就之一，就是在這一窗口中將很多性能做到了極致；過(guò)去幾年里，鋰離子電池領(lǐng)域的性能提升，每年如果能有個(gè)位數(shù)的突破就已經(jīng)非常了不起，而QS實(shí)現(xiàn)的50%以上的提升，簡(jiǎn)直令人贊嘆！”
盡管如此，QS公布的技術(shù)成果和未來(lái)規(guī)劃，無(wú)論在信息完整性還是準(zhǔn)確性上，都受到了大量質(zhì)疑。
首先，QS所展示的所有性能均以單體疊片的測(cè)試結(jié)果作為依據(jù)，而并非真正的電芯，更遑論電池包乃至整車層面。
眾所周知，對(duì)于電池材料體系的研究，試驗(yàn)室結(jié)果與商業(yè)化應(yīng)用相隔甚遠(yuǎn)。在實(shí)現(xiàn)了“1%的可能性”之后，要將其變成99%甚至100%的可靠應(yīng)用，往往需要多年的試錯(cuò)和改進(jìn)。
曾在特斯拉負(fù)責(zé)Roadster電池系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的科學(xué)家、現(xiàn)Sila Nanotech公司創(chuàng)始人兼CEO吉恩·貝爾迪切夫斯基（Gene Berdichevsky）認(rèn)為：
“在面積很小的（<0.01m2）電解質(zhì)表面實(shí)現(xiàn)很高的均勻性和長(zhǎng)壽命是相對(duì)容易的，因?yàn)閺慕y(tǒng)計(jì)學(xué)上講，可以制造出沒(méi)有缺陷的小電池……但要在電解質(zhì)面積達(dá)到500m2、需要快速充電的汽車電池中避免制造缺陷，則需使用制造電子芯片的納米級(jí)精度的設(shè)備和工藝，但是對(duì)于電池而言，那太過(guò)昂貴了……在過(guò)去十年里，人們已經(jīng)進(jìn)行了許多嘗試，但都沒(méi)有成功，即使開(kāi)發(fā)出了良好的、無(wú)缺陷的電解質(zhì)，也可能不夠……”
對(duì)此，辛格承認(rèn)批量生產(chǎn)和商業(yè)化應(yīng)用的確是“另一個(gè)層面上的挑戰(zhàn)”，但他堅(jiān)信，既然QS已經(jīng)找到了正確的材料，就意味著具備了成功的基礎(chǔ)條件。在他看來(lái)，如何實(shí)現(xiàn)固態(tài)電池的生產(chǎn)，畢竟是“工程層面的問(wèn)題”，而不再有“科學(xué)層面的障礙”。
這樣的表態(tài)，難免被制造業(yè)人士嗤為“天真的學(xué)院派想法”。
其次，QS所稱的“陶瓷材料”定義過(guò)于模糊，并未提供具有足夠理論支撐的技術(shù)細(xì)節(jié)。
盡管QS將之解釋為“因涉及公司核心技術(shù)機(jī)密，不便公布更多細(xì)節(jié)”，但隨著技術(shù)研發(fā)向商業(yè)化推進(jìn)，QS的技術(shù)細(xì)節(jié)越模糊，就越會(huì)不斷受到挑戰(zhàn)和質(zhì)疑。
辛格對(duì)此直白地表示，QS團(tuán)隊(duì)將專注于開(kāi)發(fā)其固態(tài)電池的生產(chǎn)工藝，不會(huì)過(guò)分在意外界的質(zhì)疑，因?yàn)椤罢f(shuō)到底，QS是為客戶和股東而存在的，并不需要關(guān)注其他人怎么看”。
盡管QS對(duì)其材料體系諱莫如深，但據(jù)中金研究院分析，從QS對(duì)其固態(tài)電池正極材料、隔膜層厚度和鋰金屬負(fù)極的描述，以及公開(kāi)信息中QS的專利布局來(lái)看，QS采用的固態(tài)電池路線很可能為氧化物體系下的鋯酸鑭鋰（LLZO）石榴石狀氧化物。
石榴石狀固態(tài)電解質(zhì)是氧化物體系中的一種統(tǒng)稱，主要指一系列x酸鑭鋰化合物，其中的x一般為稀土金屬鎵、鈮或鋯。
該體系在目前所有固態(tài)電解質(zhì)體系中對(duì)鋰金屬適用性最好，同時(shí)可以做成隔膜狀產(chǎn)品，相對(duì)的電池形體柔性較好。
但該體系的缺點(diǎn)同樣明顯：電導(dǎo)率有限、界面問(wèn)題突出、能量密度提升空間有限，且制備難度很大。
若QS使用的材料果真為石榴石狀氧化物體系，則其所宣傳的電導(dǎo)率高、能量密度比傳統(tǒng)鋰離子電池提高80%、正極材料生產(chǎn)可與當(dāng)前NCM三元電池集成等優(yōu)勢(shì)，均需進(jìn)一步驗(yàn)證。
再次，在固態(tài)電池的賽道上，QS面臨激烈的競(jìng)爭(zhēng)。
如前文所述，除了已在固態(tài)電池領(lǐng)域布局近20年、宣稱將在2025年量產(chǎn)的豐田之外，幾乎所有志存高遠(yuǎn)的車企和電池生產(chǎn)商，都是這條賽道上的競(jìng)爭(zhēng)者。
其中，不僅有寶馬和福特投資、同為美國(guó)初創(chuàng)公司的Solid Power，甚至連跨界造車失敗的戴森，也仍對(duì)固態(tài)電池技術(shù)念念不忘，于2015年收購(gòu)固態(tài)電池公司Sakti3，繼續(xù)追夢(mèng)。
在中國(guó)，包括動(dòng)力電池巨無(wú)霸寧德時(shí)代、鋰資源巨頭贛鋒鋰業(yè)，以及從消費(fèi)電子領(lǐng)域拓展而來(lái)的輝能科技等企業(yè)，均在大力投入固態(tài)電池研發(fā)。
在拿出令人信服、可供量產(chǎn)的產(chǎn)品之前，QS并無(wú)法證明自己具備明顯的優(yōu)勢(shì)。
而如今已成為美股上市公司的QS，將負(fù)有更多義務(wù)向公眾開(kāi)放信息，其所進(jìn)行的研發(fā)投資和每一步計(jì)劃的實(shí)施、進(jìn)展或延遲，都將被暴露在聚光燈下。
為保持股東和資本市場(chǎng)的信心，QS必須努力達(dá)成每一個(gè)里程碑節(jié)點(diǎn)，以保持健康的股市表現(xiàn)、維持良好的生存環(huán)境。
更高的曝光度將成為雙刃劍，既可能為QS帶來(lái)更高的估值和融資，同時(shí)也會(huì)賦之以更大期待和壓力。
與此同時(shí)，QS的競(jìng)爭(zhēng)者們，可以在這只“出頭鳥(niǎo)”的掩護(hù)下，伺機(jī)而動(dòng)。
最后，QS面臨的競(jìng)爭(zhēng)遠(yuǎn)不止于固態(tài)電池的友商們，而更是以特斯拉為代表的、堅(jiān)持液態(tài)電解質(zhì)路線或開(kāi)拓其他技術(shù)方案的電池生產(chǎn)商。
根據(jù)特斯拉在2020年“電池日”上的介紹，其將推出的4680圓柱形電池，通過(guò)電芯設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝、正負(fù)極材料和電池包集成等多方面優(yōu)化，將實(shí)現(xiàn)56%成本下降，以及54%續(xù)駛里程提升。
以上計(jì)劃的實(shí)現(xiàn)，意味著動(dòng)力電池成本將逼近50美元/kWh，電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程將達(dá)到800km以上級(jí)別。
雖然特斯拉并未給出具體的時(shí)間表，但聲稱2030年電池產(chǎn)能將達(dá)3 TWh（3000GWh）的馬斯克，一定不會(huì)允許到2030年還無(wú)法實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)的情況發(fā)生。
根據(jù)QS在招股書(shū)中的預(yù)測(cè)，其2028年規(guī)劃產(chǎn)能為91GWh（約等于特斯拉規(guī)劃產(chǎn)能的1/33），營(yíng)業(yè)額為64.4億美元。
假設(shè)其當(dāng)年銷量約等于產(chǎn)量，則意味著2028年QS固態(tài)電池價(jià)格為70.77美元/kWh（64.4億美元/91GWh）。
以QS預(yù)測(cè)的30%毛利率計(jì)，QS預(yù)計(jì)在2028年的固態(tài)電池成本約為49美元/kWh——這與特斯拉的成本目標(biāo)非常接近。
看得出，QS正是以50美元/kWh作為其固態(tài)電池達(dá)到100GWh產(chǎn)能時(shí)的成本目標(biāo)的。
而在當(dāng)下，對(duì)QS而言，荊棘和險(xiǎn)灘才剛剛開(kāi)始在面前鋪展。
2021年，辛格和他的團(tuán)隊(duì)將迎來(lái)迅速成長(zhǎng)期，這意味著急速擴(kuò)張的團(tuán)隊(duì)、飆升的費(fèi)用、更多的硬件設(shè)施以及不斷增多、數(shù)不勝數(shù)的工程難題。
對(duì)QS最重要的事情，是盡快將其鋰金屬固態(tài)電池技術(shù)變?yōu)殡娦尽㈦姵亟M、電池包、搭載上車、進(jìn)行測(cè)試，其后還需有不斷的改良、試錯(cuò)，以及很可能更為復(fù)雜的生產(chǎn)工藝的開(kāi)發(fā)。
在QS進(jìn)行以上動(dòng)作的同時(shí)，全球領(lǐng)先的電池生產(chǎn)商和車企們，每年都會(huì)成倍地?cái)U(kuò)充產(chǎn)能、降低成本。
更多有實(shí)力的競(jìng)爭(zhēng)者，將會(huì)進(jìn)入電池生產(chǎn)領(lǐng)域，實(shí)力有限的玩家將被淘汰，頭部聚集將會(huì)愈發(fā)明顯。
2021年1月4日，QS股價(jià)單日下挫40.84%，讓其投資者體驗(yàn)了“瘋狂過(guò)山車”的感覺(jué)。
在未來(lái)很長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)，這樣的體驗(yàn)可能會(huì)反復(fù)上演。
截至1月14日收盤(pán)，QS股價(jià)距巔峰時(shí)已經(jīng)腰斬，總市值為203億美元。
六、結(jié)語(yǔ)
隨著全球光伏發(fā)電成本首次與火電持平，風(fēng)電、光伏、核電等發(fā)電成本持續(xù)下降，人類能源體系即將加快向清潔能源轉(zhuǎn)變。
與之對(duì)應(yīng)的是，儲(chǔ)能技術(shù)的創(chuàng)新才剛剛開(kāi)始，電池技術(shù)的革新有望在未來(lái)10-20年里持續(xù)推進(jìn)。
未來(lái)幾年里，我們將越來(lái)越頻繁地看到固態(tài)電池技術(shù)取得的進(jìn)展，我們將有幸觀賞這場(chǎng)“下一代電池技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)”的血雨腥風(fēng)。
無(wú)論最終的獲勝者是誰(shuí)，固態(tài)電池的未來(lái)都令人期待。
因?yàn)?，人類?duì)更高能量密度的追求，永無(wú)止境。
參考資料：
1. QuantumScape招股書(shū)
2. Gene Berdichevsky: The Future of Energy Storage
3. 中金：簡(jiǎn)析固態(tài)電池潛力路線
4. 王凌方：《鋰電池宿命：繞不過(guò)的固態(tài)電池》
