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索罗斯看中的QuantumScape固态电池到底什么来头?

EV视界 ·2021-02-20 00:00·电子工程世界
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电池技术革命前夜,固态锂电池新创企业QuantumScape成了国际投资大鳄索罗斯的第四大重仓股,QuantumScape似乎已经取得了突破。


QuantumScape曾于2020年12月上旬的一场在线会议中,向投资者展示了一款用“梦幻”形容也不为过的“超级电池”,这款可在15分钟内充到80%电量的固态锂金属电池,可提升电动车90%续航力并降低制造成本。但是预计搭载这款固态锂金属电池的电动车,可能要等到2025年才能问世。


索罗斯看中的QuantumScape固态电池到底什么来头?


固态锂金属电池里藏着什么秘密?


QuantumScape是首个发表在商业上可行的固态锂金属电池解决方案的电池企业。在锂离子电池方面的研究而获得2019年诺贝尔化学奖得Stanley Whittingham认为,这是一个真正的突破。但是QuantumScape必须将完成固态电池的制造,且能够大量安装至电动车当中,才能成为革命性的产品。


基本上, QuantumScape研发的固态锂电池只有卡片大小,使用较少的体积容纳与目前市面电池相同的能量。电池结构主要有两层,包括阴极、可挠式陶瓷隔膜(flexible ceramic separator),并未放置人造正极。充电时,锂会离开阴极,通过陶瓷隔膜,沉积在隔膜和一个电子接触面之间,在电池内部形成锂金属阳极,且不易引起火灾。


根据QuantumScape公布数据显示,从体积上,新电池可储存的电量为1 kWh /升,约为当前特斯拉Model 3电池的四倍。从重量来看,提供的功率在380-500 Wh / kg之间,比起特斯拉的260 Wh / kg还高。理论上即使特斯拉可以在三到四年内将功率提升至400 Wh / kg,也不一定比得上QuantumScape固态锂电池。


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QuantumScape公布的数据显示,固态锂金属电池充一次电可行驶300英里(约483公里)或是更长的距离,电池正常使用的寿命可达12年,在高温下具备一定安全性,且能承受零下30度的低温,就算经历了800次的充放电循环,亦可维持80%以上的容量,不会有明显衰退。


使用自研的不可燃陶瓷隔膜,代替传统液态电解质与多孔隔膜,是QuantumScape的核心技术壁垒。如果没有有效的固态隔膜,锂金属将形成树枝状晶体,枝晶会通过多孔隔膜使电池短路。普通的锂离子电池最怕的就是这类突刺导致电池失效,甚至引发火灾。经过近10年研发,QuantumScape拥有了有效满足要求的陶瓷固态隔膜,并支持大规模制造生产的多项专利。


QuantumScape不再使用石墨等材料作为负极,节约了大量由负极材料占据的空间,减小了电池尺寸与重量,结构更简单,电池能量密度因此大幅提升。相比目前的锂离子电池,固态锂金属电池能量密度增加了80%,能量密度约380-500Wh/kg,即使特斯拉可以在三到四年内,将电池组能量密度提升到400Wh/kg,也不一定比得上。


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未来实现量产后,QuantumScape可在材料与生产工艺等方面比传统锂离子电池实现更低成本,根据该公司测算,固态锂金属电池将比传统锂离子电池成本下降17%。


QuantumScape的技术有多强?


QuantumScape成立于2010年,由首席执行官Jagdeep Singh在2010年与斯坦福大学科学家Fritz Prinz、Tim Holme共同创立,研究团队在美国先进能源计划署(ARPA-E)资助下独立创业,拥有约200项固态电池专利及应用。特斯拉前联合创始人JB Straubel与前董事Brad Buss后来也陆续加入了董事会。


QuantumScape的背后投资者大有来头,包含大众汽车集团、上汽集团,以及微软创始人比尔盖兹。大众汽车从2012年起就已经与QuantumScape合作,2018年6月加码投资,取得董事席位,预计将在2025年建立固态电池生产线,总计将投资高达1亿美元。


QuantumScape目前已研制出固态锂金属电池单体叠片,在能量密度、循环寿命、低温环境等方面,具备很强的竞争力。


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QuantumScape首席执行官Jagdeep Singh认为,目前市场上的锂离子电池都不具竞争力,且充电速度缓慢,能量密度也无法达成人们心理预期的续航里程。不但成本昂贵,寿命也不如汽车本身,并且还使用易燃的电解质,因此需要不可氧化的材料,才能达到安全的标准。


近日,QuantumScape还取得了新的突破,能够生产多层固态电池,这是固态电池从实验室走向量产的关键。Jagdeep Singh表示:“尽管还有很多工作要做,随着层数的增加,我们可能会遇到新的挑战,但这是非常重要的结果,很高兴能在今年年初做到这些。”


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为了加速实现固态电池商业化,QuantumScape需要解决三大问题,首先是与在实验室环境中测试的电池相比,制造出更大更多层的电池。目前的电池单元只有四层,商业化量产可能需要多达十几层。该公司的目标是在2021年底之前实现8层和10层,达到70x85 mm的商业化尺寸。如果一切按计划进行,QuantumScape可能会在2022年完成最终的商业化产品(包括12层)的交付。


其次,需要为陶瓷隔膜等关键部件开发可靠的生产线,在批量生产中分散数十亿美元的设备和机械成本。“如果能够制造本质上类似于单层电池的多层电池,可将固态锂金属电池在汽车级产品应用所需的时间缩短几个月。” Jagdeep Singh说,该公司将在加州圣何塞建立一个小型试点工厂,为汽车制造商生产工程样品,以便在2023年之前投入数百辆测试车,QuantumScape计划利用这些样品吸引其最大股东大众汽车公司以外的客户,“现在我们有能力在与大众组建合资企业之前生产电池。” 这款名为QS-0的产品将帮助该公司加速其固态锂金属电池的开发,并从2023年起提供多达100000个工程电池样品。


索罗斯看中的QuantumScape固态电池到底什么来头?


QuantumScape联合创始人、2019年诺贝尔化学奖得主Stan Whittingham博士指出,“制造固态电池最困难的部分是需要同时满足高能量密度、快速充电、长循环寿命和宽温度范围的要求。QuantumScape的技术满足所有这些需求,这是以前从未实现的。如果能将这项技术投入大规模生产,就有可能改变整个行业。”


长期以来业界一直未能找到可商业化生产的固态电池配方,新创企业雨后春笋般成立,汽车业也大力投入,希望尽早让固态电池进入商用量产阶段。通用汽车投资了Solid Energy,戴森(Dyson)收购固态电池企业Sakti3,在今年年初的蔚来日上,蔚来汽车发布的150 kWh电池包也将采用先进的固态电池技术。福特和宝马投资的Solid Power目前在生产20安培小时的多层固态锂金属电池,能量密度达330Wh/kg,预计到2022年其电池电量将超过400Wh/kg。丰田由于拥有1000多种固态电池专利,近期研发固态电池也告一段落,并预计在2021年推出固态电池电动原型车。


索罗斯看中的QuantumScape固态电池到底什么来头?


当被问及与同行的技术作何比较时,Jagdeep Singh表示,“到目前为止,所有其它固态电池只能在高温下工作。我们还没有看到任何竞争对手提供的任何数据,能够表明其固态电池能够在不提高温度的情况下提供较长的循环寿命和高能量密度。”他还对竞争对手的多层电池原型分为两类,“其中使用碳基阳极的竞品,会因此丧失固态锂金属电池的许多关键优势,包括能量密度,快速充电和成本,另外一些竞品使用了锂金属但只能在不利的测试条件下工作,这些电池在商业化上都是不可行的”。


Jagdeep Singh坚信,QuantumScape是目前唯一展示出能够满足长循环寿命,高能量密度和不升高温度等关键要求的固态锂金属单体电池的公司。


目前,QuantumScape仅生产商业所需尺寸的单层固态电池。在实现单体电池后,未来将积极研发多层电池,真正实现固态电池商业化应用。Jagdeep Singhv相信他们已找到正确的材料,具备成功的基础条件,如何实现固态电池商业化量产,是工程层面问题,而不再有科学层面的障碍。


距离商业化还有多远?


作为下一代电池技术,固态电池是未来5年电动汽车产业的重点研发方向之一。


QuantumScape目前已经完成了技术准备,正在开始为大规模量产做准备,整个计划包括四个阶段:


一、产品验证:2021/2022年完成产品的开发与验证,2022/2023完成整车的样品测试;


二、1GWh试制线(QS-1):2023年1GWh的试制线完成,初期(2024年)产能0.25GWh,随后(2025年),产能爬坡至0.75 GWh,最后于2026年达到1G Wh的产能;


三、20GWh产线(QS-1):2025年产线建设完成并SOP,初期(2026年)产能5 GWh,随后(2027年),产能至15 GWh,最后于2028年产能达到20 GWh;


四、70GWh产线(QS-2):2026年产线完成,次年产能30 GWh,2028年产能达70GWh。


QuantumScape去年11月30日通过空白支票公司Kensington Capital Acquisition Corp.借壳上市。迄今,这家只有250位员工、没有正式量产产品、没有工厂的公司,市值已达430亿美元,超越了电池巨头松下(Panasonic)和三星SDI。


索罗斯看中的QuantumScape固态电池到底什么来头?


伦敦帝国学院(Imperial College London)电池专家Billy Wu说:“我不怎么相信QuantumScape,在过去的日子里,很多固态电池来了又走,真的很难成功。在实验室造出固态电池,大规模生产,二者相隔几百万公里。”


Seeking Alpha网站分析指出,QuantumScape在技术上的确有所突破,比当今的固态电池要好上许多,即使未来其产品能成功进入市场,但迈入量产需要花费比他们声称更长久的时间,成本预计也比当今的锂离子电池高出许多,甚至永远无法更便宜,也恐怕难比目前的电池更安全。


牛津大学教授Peter Bruce认

关键字: 索罗斯 QuantumScape 固态电池 编辑:鲁迪 引用地址: http://news.eeworld.com.cn/qcdz/ic526899.html
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