在固态电池明星公司QuantumScape的万圣节派对上，延续许多年都有一位工程师会扮成“锂枝晶”形状的怪物，就像一个白色的人形树枝，专门去吓研发部门。
锂枝晶之以是会让研发部门感应毛骨悚然，就是由于它不仅是造成液态锂电池短路的元凶，也是锂金属阳极固态电池的克星。锂枝晶会穿透电池的隔膜，造成正负极短路，导致起火燃烧甚至爆炸。
锂金属阳极是固态电池神话的主要环节，也是QuantumScape故事的焦点组成部门。我们都知道，固态电池最大的差异在于没有液态电解质，但真正的性能提升，来自于把负极质料从现在用的碳基，跨过硅基，直接过渡到最终方案——锂金属，它能极大提升电池的能量密度。
自20世纪70年月以来，人们就知道锂金属负极能极大提高电池的能量密度。但在液态电池时代，由于电池充电时，这种树枝状物很容易刺透隔膜造成短路，或者导致电池内部电阻快速增添，以是锂金属负极不能与传统液态电解质一起用。
因此，人们普遍以为要想用锂金属，需要一种固态电解质，它的导电性能需要与液体大致相同，但能抵制锂枝晶的形成，而且不会与金属锂发生化学反映。
几十年来，从美国橡树岭国家实验室、英国剑桥大学、中国中科院，到丰田汽车、LG化学、宁德时代、QuantumScape、Solid Power等等，无数科学家一直在寻找这种质料。
由于固态电池的故事改变了人类储能方式，谁攻克了它，就能掌握新能源动力的焦点。日韩倾举国之力推进硫化物质料手艺蹊径，欧洲走聚合物，而中国主要走氧化物蹊径，美国则是以创业公司为主，同时推进多条蹊径。
但直到今天，还没有切实可行的方案泛起，量产时间表也一延再延，固态电池成为电动车产业中，与自动驾驶并驾齐驱的另一张“大饼”。今天这篇研究文章，我们就通太过析固态电池第一股QuantumScape，来纵观固态电池赛道，包罗固态电池的手艺原理；硫化物、氧化物、聚合物三大手艺蹊径的优劣势等等。以下，Enjoy：
1
“固态电池第一股”
QuantumScape的大起大落
在没有获得产业端的验证前，险些没有人能穿透迷雾看到固态电池的终局。
若是你在固态电池行业里调研一圈，往往能获得许多相互矛盾的信息，导致很难做出判断。
QuantumScape（以下简称QS）也不破例。QS的首创团队堪称明星阵容，首创人兼CEO Jagdeep Singh结业于斯坦福大学，曾任光通讯装备公司Infinera的首创人兼CEO；另两位团结首创人Fritz Prinz和Tim Holme都是斯坦福大学科学家；特斯拉前团结首创人JB Straubel与前董事Brad Buss也陆续加入了董事会。
印度人Jagdeep Singh是QuantumScape首创人兼CEO，他结业于斯坦福大学
整个研究团队在美国先进能源设计署（ARPA-E）资助下自力创业，拥有了200多项固态电池专利及应用。就连对锂电池研究发生伟大孝顺的诺贝尔化学奖得主Stan Whittingham博士，也曾夸赞说“我在其他任何地方都没见过这么好的数据，我以为这是一个真正的突破。”
QS在一级市场十分受追捧，比尔盖茨曾经绝不犹豫地注资，民众汽车也为了押注未来，多次加码，拿到董事会席位，民众在2020年还追加2亿美元投资，以辅助QS预计在2025年确立固态电池量发生产线。
2020年11月，QS终于通过SPAC乐成上市，拿到了10亿多美元的资金。1个多月后，QS的股价冲到了历史岑岭，市值一度迫近500亿美元。美国著名投资人索罗斯也在四序度大幅加仓，QS一度成为索罗斯的第四大重仓股。
但此时的QS，不仅没有收入、没有能够量产的固态电池，甚至连实测数据都不太周全。人们对新手艺的狂热，叠加低利率的资源环境，让这股热潮冲向巅峰。
要想穿透迷雾并不容易。各大投行纷纷笼罩了这支热门股，虽然给早期科技公司估值并不容易，像投行善于的DCF模子都险些没用，但Morgan Stanley照样给出了40美元的展望，JPMorgan给出了35美元。
QS还在2020年12月上旬，向投资者展示了劈头数据，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%的续航里程，而且由于无负极的设计，可以至少降低15%的成本。
在这种狂热气氛中，QS的股价最高飙到了132美元。但随着美联储加息周期的开启，人们纷纷从高风险的公司中撤离，现在QS只有9美元。这种过山车般的遭遇，又一次印证了Gartner新兴手艺成熟度曲线的前半段。
不外，虽然股价大起大落，但QS的研发依然在照常推进。QS的手艺特点是：无负极设计、陶瓷质料的固态隔膜、多层堆叠。
QS的无负极设计，是其产物的一大亮点。制造时，电池里没有传统的石墨/硅的负极结构，锂只存在于正极中。当电池第一次充电时，锂脱离正极，通过固态电解质和板直接扩散到负极电流网络极上的薄金属层，形成一个负极。而当电池放电时，锂会扩散回正极，此时电池无负极。周而复始。
这依赖于QS专有的固态陶瓷隔膜，它取代了传统液态电解质和多孔隔膜，QS宣称花了十年才找到这种同时有优越导电性，又能防止锂枝晶发生的质料。
QS面临的挑战是若何实现高性能、极薄的隔膜，这种隔膜越薄，缺陷风险就越高（好比前文提到的锂枝晶）。但同时，隔膜又必须薄，由于这样才气到达理想的能量密度。QS设计的隔膜将在10微米左右，比人的头发还薄。
与传统的碳/硅负极相比，锂金属负极可在不增添电池组尺寸与重量的情形下，实现更高的能量密度（1000Wh/L），也意味着更长的续航里程（跨越1000km），同时提供高功率（用于快速充电，QS的商业化单层电池原型能够实现15分钟快充80%，通俗锂电池需要40分钟）、长循环寿命（电解液会与阳极发生副反映，导致锂的不能逆损失，降低电池使用寿命）和更高的平安性，它能解决阻碍电动车普及的许多焦点问题。
由于这种固态电池的特征，QS最先在单层电池的基础上，研发多层电池。基本构建是双层电池，由双面正极组成，中央是两层电解质，叠加两层电池就可以获得4层电池，同时需要4层电解质。
QS在2020年四序报中首次宣布了30x30mm的4层电池，测试效果与一层电池功效靠近，保持了近800次循环后跨越90%的容量。
不外，实验室数据好不代表就能商业化生产了，QS面临的最大问题在于生产一致性和成本。
由于QS展示的性能测试数据，都是基于单体叠片的效果，而不是真正的电池组，当这些电池多层叠片之后，是否还能稳固事情，到达同样的性能，是异常大的未知数。
成本也是个大问题。在实验室里，可以用制造芯片的纳米级精度装备与工艺，来制备样品，但对大规模生产就过于昂贵了。但若是用更廉价的手段，还能否保持高良品率，也是未知数。
以及虽然QS对自己固态电池的质料系统讳莫如深，但外界照样质疑其电导率远不如液态电解液。
QS给出的时间表是要在2028年头步实现规模化生产，设计产能为91GWh。虽然QS实现了“1%的可能性”，但要完成后面99%的“工程学问题”，成为可靠产物，还需要大量试错和改善。
毫无疑问，固态电池仍然任重道远。
2
固态电池三大手艺蹊径之争
当下的固态电池行业，在最基础的手艺蹊径上，还没有杀青共识。
主流的三种手艺路径划分是：硫化物、氧化物和聚合物。
理想的状态是，这个质料需要有液体电解质的锂离子电导率；对锂金属具有化学和电化学稳固性；同时能尽可能地少发生锂枝晶；制造成本对照低，不用有数元素。
但现在这三条路径各有优瑕玷，还没有能同时知足以上要求的。上文提到的QS使用的陶瓷质料，隶属于氧化物质料系统。
聚合物，最初被以为是合适的候选质料，最早实现固态电池装车测试。聚合物的优点是易加工，与现有的液态电解液的生产装备、工艺都对照兼容，它的机械性能好对照柔软。
但它的瑕玷也十分致命，首先是电导率太低，需要加热到60度高温才气正常事情；其次是与锂金属的稳固性较差，导致它没有设施适配于高电压的正极质料，以是限制了它的能量密度。聚合物电化学窗口窄，电位差太大时（>4V）电解质易被电解，这使得聚合物的性能上限较低。
聚合物的热稳固性普遍在200度以下，但氧化物与硫化物的热稳固性可较轻松到达400-600度以上，而聚合物在高温下也会发生起火燃烧的征象。我们对固态电池就是希望它能彻底解决平安的问题，以是聚合物虽然是三条手艺蹊径中最早最先推进商业化应用的，但到现在也没有大面积铺开。
中科院物理研究所博士生导师、天目湖先进储能手艺研究院首席科学家吴凡总结，欧洲是最早推进聚合物固态电池产业化的区域。那时法国的Bollole公司首次提出把聚合物固态电池用在电动巴士（Bluebus）、电动出租车（Bluecar）等公共交通领域，然则聚合物电池的瑕玷是需要在60度的高温环境下才可以正常充放电，而且聚合物自己也有化学稳固性差的问题，无法适用于高电压的正极质料，像钴酸锂、高镍三元等等，热平安性也不强。以是最终聚合物固态电池也没有形成趋势。
而欧洲也逐渐转为以投资为主，欧洲著名的整车厂多次投资外洋的电池企业，像民众、宝马、飞跃都有投资响应的美国初创公司，以争取在下一代全固态电池上的话语权。
硫化物，是三种质料系统中电导率最高的，而且电化学稳固窗口较宽（5V以上），但热动力稳固性很差，若何保持高稳固性是一浩劫题。一种解决方式是举行外层涂覆，但这又增添了电池的电阻。另外，硫化物至今仍然无法制止锂枝晶的发生。
在生产层面，硫化物固态电池的制备工艺对照庞大，由于硫化物容易与空气中的水、氧气反映发生硫化氢剧毒气体。这个问题可以在工艺上解决，但会增添不小的成本。
综合来看，硫化物是全固态电池中潜力最大的，诸多动力电池巨头（丰田、LG、松下等）选择其为主要手艺路径。其中丰田最为激进，拥有全天下最多的固态电池专利。
氧化物，它具有较好的导电性和稳固性，而且离子电导率比聚合物更高，热稳固性高达1000度，同时机械稳固性和电化学稳固性也都异常好。
但氧化物的瑕玷是，相对于硫化物，电导率照样偏低的，这使得在性能中会遇到容量、倍率性能受限等等一系列问题。
更严重的一个问题是，氧化物异常坚硬，这就导致固态电池里“固固接触”问题异常严重。氧化物的颗粒是以点接触形式存在，若是我们在简朴的室温冷压情形下，用氧化物做成的全固态电池将是一个孔隙率异常高的电池。在液态电池中，所有的孔隙都有电解液浸润，以是界面接触没有任何问题，但在固态电池中，这些孔隙就无法导锂。
这些焦点问题导致氧化物系统不大可能是全固态电池。现在海内都在研发的，着实是固液夹杂偏向，既有氧化物的固态电解质层，又有电解液浸润，这样能够填充孔隙，让它有完好的导锂通道。
中国主要押注的是氧化物蹊径，中国四大头部固态电池公司（北京卫蓝、江苏清陶、宁波锋锂、台湾辉能），都是以氧化物质料为基础的固液夹杂手艺蹊径为主。
浙江大学质料科学与工程学院研究员范修林以为，固液夹杂并不是一个过渡手艺，它可以算是固态电池的一种，甚至若是全固态电池走不通的话，也有可能成为一个最终的解决方案，这些现在都还很难准确展望。
固液夹杂在3C电池领域，着实已经现实应用了，它吸收了部门液态电池的优点，好比固液夹杂电解质与正负极的接触，很好地继续了液态的优点，以是生长起来也更容易一些。固然，固液夹杂现在面临的伟大问题是，倍率性与液态电池相比照样差一些。若是未来能把用在3C电池上的手艺方案，进一步提升离子电导率，转接到动力电池上也是很有潜力的，许多人也在往这个偏向研发。
现在，着实不少质料能发生不错的实验数据，但离上车应用与规模化生产都尚有很远的距离。固态电池的手艺路径并非绝对，差异特征能顺应差异场景。固态电池可能也不会一上来就运用在电动车上，而是先从特种装备和消费电子最先。
液态锂电池履历了几十年的生长，已经形成了三元/磷酸铁锂组成的正极质料系统，负极正在向硅基迭代，这些刷新简直可以增添能量密度，但都是渐进式创新，而且理论天花板就在那里。
往远看5年，固态电池无疑会是最具推翻性和商业潜力的电池手艺之一。一方面通过把可燃性的电解液换成固态电解质，很洪水平解决了液态电池易燃的问题。
另一方面更容易替换成最终负极方案——锂金属，可将能量密度提升10倍以上。“现在液态锂离子电池的能量密度到了300Wh/kg，这已经到达了一个极限，下一步或下一代电池要生长固态电池，逐渐要过渡到全固态锂电池。”中国工程院院士陈立泉在2021年中国电动汽车百人会论坛上示意。
美国国家发现家科学院院士、宾夕法尼亚州立大学讲席教授、电池与储能研究院院长王向阳以为，最近几年对全固态电池最大的认知突破是，要想把整体性能做好，不应该只追求高导电率，而是转向追求更高的稳固性，只管导电率会差一点。在这种新认知下面，信托未来会有一些新质料泛起。
但对于新手艺，依然很难去展望到底什么时刻能成熟。若是我们用倒推法，若是固态电池能在2026年商业化，而汽车行业必须有4-5年的合规验证时间，那么倒推到今天，各大科研院所应该都在测试自己的固态电池。但现实上，险些所有科研院所都还没有像样的固态电池，更没有车规级的测试数据。
现在去讨论全固态电池什么时刻能规模化，还为时过早，我们只能守候科学上的突破。但有一点可以确定的是，固态电池的渗透率至少要跨越0.1%，才是有意义的商业化。王向阳以为全固态电池还需要十年时间，真正的商业化至少要在2030年之后。
同时，固态电池的竞争对手不是2022年的液态电池手艺，而是2025-2030年的性能和成本结构，液态电池规模化带来的成本下降是重中之重，尺度在不停提高。
无论从哪个角度来说，这项万众瞩目的推翻性手艺，很显著还需要时间。这场波涛壮阔的下一代电池之战，将在下一个十年与自动驾驶之战一同打响，人类出行革命静待转变。
References：
1）Morgan Stanley：The New Oil: Investment Implications of the Global Battery Economy
2）Morgan Stanley：Initiation of Coverage QuantumScape Corp
3）UBS：Initiation of Coverage QuantumScape Corp
4）JPMorgan：QuantumScape The Path to Solid State Battery Technology
5）Cowen and Company：ENERGY TRANSITION, PART III: AN-ODE TO JOY
6）天风证券：固态电池整装待发
7）光大证券：固态电池，抢占下一代锂电手艺制高点
8）兴业证券：固态电池：道阻且长，仍需实事求是
9）建约车评：固态电池，2025见？
10）德勤：中国锂电行业生长“电池风云”