QuantumScape公司固態(tài)電池出現(xiàn)突破?

到處都是電池，電子設備需要電池，汽車飛機也需要強大的電池?？上?，鋰電池卻碰到了技術(shù)瓶頸。許多企業(yè)正在研究固態(tài)電池，它是人類的希望。但固態(tài)電池有一個很大的難題沒有解決，也就是“枝晶難題”?，F(xiàn)在有一家公司宣稱它找到了解決方案。原文作者Steve LeVine，原文標題為：If True， QuantumScape Has Made the Biggest Leap in Batteries Since the Debut of Lithium-Ion。

QuantumScape是一家鋰金屬電池創(chuàng)業(yè)公司，11月股市開始交易的第一天，它的股價大漲57%。10天之后，QuantumScape的股價又翻了一倍，過了不到兩周，股價再漲72%。在不到一個月的時間里，QuantumScape股價漲了5.7倍。隨后股價開始大跌。與大約兩個月前相比，現(xiàn)在它的股價大約只上漲了80%。

現(xiàn)在鋰離子電池技術(shù)似乎迎來重大突破，如果你能理解到這一點，便會明白QuantumScape的股價瘋狂上漲符合邏輯。大約45年前，?？松梨诠荆‥xxon）發(fā)明第一個鋰存儲裝置，之后研究人員便開始努力，想做到石油公司沒有做成的事：開發(fā)出高純鋰電池，鋰是元素周期表上最輕的金屬。如果他們成功了，新電池就能為電動汽車提供強大的電力存儲裝置?？上?，一直沒有人有能力駕馭這種頑固的金屬。

但金屬電池有一個巨大缺陷，它會形成枝晶。枝晶的形成是電池重復充電和放電后金屬積淀不均勻造成的。電池使用時間延長，金屬晶簇會生長，形狀類似樹枝，有時能夠穿透電極隔離膜，從而造成電池短路，使設備“死亡”。研究人員想解決枝晶問題，但他們連引發(fā)的原因都沒有完全搞明白。有一點是研發(fā)人員認同的：枝晶很可怕。在研發(fā)電池的過程中，如果發(fā)現(xiàn)枝晶開始出現(xiàn)，也就意味著不得不宣告研究失敗了。

去年12月，QuantumScape發(fā)布消息，宣稱公司取得令人矚目的成績。它開發(fā)出新型鋰金屬電池，這種電池只要15分鐘就能充滿電，裝進汽車，當汽車行駛24萬英里之后，還能保持90%剩余電量。在一項測試中，電池甚至只要2分鐘就能充滿。一時間，華爾街和電池研究社區(qū)沸騰了。

不久前，QuantumScape的兩位創(chuàng)始人接受采訪，但他們似乎只想談論一件事：公司是如何打敗枝晶的？

QuantumScape CEO Jagdeep Singh和CFO Tim Holme解釋說，公司找到了引發(fā)枝晶的準確原因，隨后研究人員開發(fā)一種材料，它可以在枝晶”成長“之前克制。如果研究成果真的有效，它會是1991年鋰離子電池商業(yè)化之后電池領域最重要的突破。Singh說：“我們很幸運，最終開發(fā)出這樣一種材料。團隊發(fā)現(xiàn)了它。還有，團隊可以用低成本大規(guī)模制造這種材料。如果做不到這一點，那就沒有意義?！?/p>

在過去幾年里，QuantumScape是一家很神秘的公司，它拒絕透露最基本的細節(jié)。去年9月，QuantumScape在紐交所上市，大家開始走近它。盡管如此，對于這種關(guān)鍵的分離材料（在兩極之間的薄膜片），QuantumScape仍然保持沉默。

有一個問題值得我們思考：Bannister時刻真的來了嗎？從19世紀開始，全球賽跑教練和運動員都在努力，試圖達成一個目標：在4分鐘以內(nèi)跑完1英里。1954年，一位25歲的英國醫(yī)學院學生沖破極限，他叫Roger Bannister?？上录o錄并沒有保持多久。46天之后，澳大利亞運動員又刷新紀錄，第二年，在一次比賽中居然有3位選手也達到目標。在隨后的幾年里，又有1400多人達到。由此可以看出，在4分鐘內(nèi)跑完1英里這個障礙只是意識上的，并非做不到。

枝晶只是意識上的障礙嗎？其它企業(yè)也能打敗嗎？

2009年，Singh想發(fā)明新電池。當時他是Infinera光網(wǎng)絡公司的CEO和創(chuàng)始人，Singh辭去工作，向理想挺進。Singh在斯坦福大學拿到計算機學位，在那里結(jié)識了材料學教授Holme和Fritz Prinz。第二年，QuantumScape公司創(chuàng)建。

Singh說：“我們當時并不知道應該如何制造更棒的電池，我們只是想增加能量密度，加快充電速度，增強安全性，等等?！辈恢蝗绱?，制造必須便宜，電池內(nèi)不能有稀土或者稀有材料（比如鍺、鉑、鈀），制造必須可以持續(xù)，用現(xiàn)有鋰離子電池制造機器就能生產(chǎn)。

很快Singh就得出結(jié)論，要造出超級電池，最好的選擇是鋰。但是鋰金屬極為活躍，目前的電動汽車電池也是鋰電池，但里面只有少量鋰，放在安全的石墨陽極中。為了制造純鋰金屬電池，大多研究人員會開發(fā)固態(tài)分離器，防止液態(tài)電解質(zhì)破壞鋰金屬。Singh的目標也是一樣的，為了制造新電池，他融資1.5億美元。沒多久，QuantumScape就招募了大約100名工程師。Holme團隊將所有可能的材料列出來，看看哪種材料能夠制造最好的分離器。

Singh說：“很可惜，所有材料都會形成枝晶。這是最大挑戰(zhàn)，也是唯一挑戰(zhàn)?！币荒赀^去了，然后是兩年，三年。2014年Singh絕望了，團隊其它人也絕望了。Singh用照片展示枝晶，他說：“真是一張讓人恐懼的圖片。這里是固體分離器，但它無法阻止枝晶。在圖片你可以看到鋰金屬穿過材料，上面的灰色區(qū)域說明鋰已經(jīng)滲透到材料中?！?/p>

沒有一種材料有用。Singh回憶道：“當時我們陷入黑暗時刻。公司融了不少錢，但看不到隧道盡頭有光。你不知道正確的行動應該是怎樣的?，F(xiàn)金躺在銀行賬戶上。是不是應該繼續(xù)投資？是不是應該告訴投資者：‘伙計，錢還給你，項目行不通?！?/p>

Holme將所有人集中，對他們說：“沒有時間了。將工作放下，所有人都聽著，現(xiàn)在我們要開始解決枝晶問題。如果問題不解決，我們就不會有產(chǎn)品，不會有公司?！痹谡荒昀?，工程團隊所有人都圍著枝晶問題轉(zhuǎn)。他們收集所有枝晶形成的理論。最開始他們認為只要分離器足夠硬，枝晶就不會穿透并導致電池短路；但后來他們發(fā)現(xiàn)并非如此，即使是堅硬的陶瓷，鋰也能穿透。無奈之下，研究人員只好開發(fā)軟分離器，但同樣不管用。

最終研究人員拋棄所有文獻。Singh說：“我們必須回到主要原則，就枝晶的形成原因提出自己的理論。我們要開發(fā)自己的計量技術(shù)，評估技術(shù)和材料質(zhì)量，因為事實已經(jīng)證明，有東西引起枝晶，但普通的計量技術(shù)甚至都無法評估?！?/p>

2015年，團隊終于就鋰枝晶給出一套解釋。隨后他們用這套標準測試收集的材料，最終發(fā)現(xiàn)有一種材料可以解決枝晶問題，效果還不錯。Singh說：“我本來很壓抑，但隨后這種情緒開始緩解?！?/p>

從開始到成功，團隊整整花了五年，他們所要的不過小小的一片材料。隨后團隊優(yōu)化材料，試圖讓材料變得更大更好，而且不能有缺陷。每一次增大尺寸都要花費大約6個月至1年，這個階段又耗費了5年時間。到了2019年年底和2020年，團隊進入最后一步，將電池擴大，從30x30毫米變成70x85毫米。

到底QuantumScape發(fā)現(xiàn)了什么？枝晶是什么引起的？他們沒有說。Singh說：“最終我們會向公眾披露的，現(xiàn)在行業(yè)還不知道，要做很多工作、付出很多汗水才能找到原因，如果我們現(xiàn)在就披露，競爭對手進入就會容易很多。所以我們現(xiàn)在要保密?！?/p>

在過去幾十年里，電池社區(qū)一直被枝晶折磨，聽到QuantumScape的宣言許多研究人員無法接受。當我咨詢研究人員，他們經(jīng)常會反問：QuantumScape是不是發(fā)現(xiàn)一種通用鋰枝晶解決方案？還是說這種方案并非通用方案，有局限性？BloombergNEF能源研究公司能源存儲主管James Frith問道：“它們的解決方案能否應用于其它鋰離子系統(tǒng)？還是說只適用于它自己的系統(tǒng)？就算它們的突破是真的，如果其它人無法從QuantumScape的發(fā)現(xiàn)中受益，又怎么能說是真正的科學突破？”

我問Singh，它們的解決方案是不是通用枝晶解決方案。Singh在郵件中回應稱：“我們的發(fā)現(xiàn)適用于固態(tài)分離器，而據(jù)我們所知，它是唯一能阻止枝晶的方法?！睆腟ingh的話分析，似乎QuantumScape的方法適合于各種固態(tài)分離器，競爭對手也能用。如果真是這樣，電池產(chǎn)業(yè)就會迎來Bannister時刻?，F(xiàn)在最重要的問題在于確認，看看突破是不是真的。Frith說：“要請獨立人士來驗證。只有這樣能確認它是不是真的?！钡侥壳盀橹惯€看不到獨立驗證結(jié)果。

Jeff Sakamoto是密歇根大學材料學教授，他的電池研究工作和QuantumScape差不多。Jeff Sakamoto回應稱，如果QuantumScape關(guān)于枝晶的報告是真的，那的確是重大突破。QuantumScape還說：“鋰金屬電池是電池產(chǎn)業(yè)的圣杯，這的確是突破。”至于突破是不是技術(shù)上的突破，他無法確認。Jeff Sakamoto仔細查看了QuantumScape的專利文件，他認為該公司可以只能是找到了一種巧妙的方法來操縱電池。QuantumScape也許會調(diào)節(jié)進入電池的電池。Jeff Sakamoto說：“當電池開始形成枝晶時，他們可以阻止，讓電流逆轉(zhuǎn)。如果小心控制，就能繞開枝晶問題?！比绻鸔uantumScape在材料科學方面找到突破口，Jeff Sakamoto會更加高興。

Sakamoto指出：“研究他們的專利文件可以發(fā)現(xiàn)，QuantumScape并非在材料方面找到了突破口，也不是開發(fā)出魔幻涂層。換言之，在性能方面到底是如何取得進步的，我們找不到明確的證據(jù)來解釋。如果他們真的開發(fā)出突破性材料或者涂層，卻保密不公開，那會是非常危險的舉動，因為產(chǎn)品的特點會顯露出來。我就會想，它們只是改變了電池循環(huán)方法，和電池內(nèi)的材料無關(guān)?！?/p>

QuantumScape聲稱自己解決了枝晶問題，而所有這些斷言都與單層電池有關(guān)，如果想讓電池商用，層數(shù)要增加到100層。許多專家都說，增加層數(shù)是很難的事。

我們應該聽聽QuantumScape的競爭對手是怎么說的，比如Solid Power，它也是美國公司，正在研究固態(tài)電池。Solid Power CTO Josh Buettner-Garrett沒有明確提到QuantumScape，他認為，制造單層電池是一回事，制造多層電池并保持同樣的性能又是另一回事；在汽車產(chǎn)業(yè)如何以合適的成本大規(guī)模生產(chǎn)多層電池是關(guān)鍵，而QuantumScape并沒有明確解釋。

阿貢國家實驗室能源存儲協(xié)作中心主管Venkat Srinivasan認為，如何增加層數(shù)？如何規(guī)?；窟@些難題為其它電極（比如硅）留下了機會，它們也可以搶先商業(yè)化，QuantumScape的創(chuàng)新的確是一大進步，但從技術(shù)角度看是不是真的大飛躍？我們無法確定。Venkat Srinivasan說：“再過15年，當我們回看，可能會發(fā)現(xiàn)硅才是改變電動汽車版圖、讓人類全面走向電氣化的關(guān)鍵?！?/p>

針對這種懷疑，我給Singh發(fā)了封郵件。我在郵件中問：“鋰金屬內(nèi)為什么會出現(xiàn)枝晶？你們聲稱已經(jīng)找到了明確原因。我可不可以這樣理解，你們并不是發(fā)明一套新理論，而是找到了實際原因，這樣理解正確嗎？第二點，你們的解決方案可以阻止枝晶形成，是這樣嗎？”

Singh在回復中表示：“出于謙虛，我們不會說我們找到了枝晶形成的決定性原因。打個比方，比如牛頓引力定律，我們用它可以預測炮彈路徑、月食時間，但我們不會說牛頓定律是引力的決定性理論。最終愛因斯坦提出廣義相對論，它更好一些。也許還有比廣義相對論更好的理論，它可以告訴我們黑洞是怎樣的。”

“我們找到一種理論，它可以解釋枝晶，這種理論和傳統(tǒng)智慧不太一樣，我們可以驗證這一理論，然后開發(fā)出固態(tài)分離器，它可以在高密度電流下運行，而且循環(huán)次數(shù)可以超過1000次，這樣說可能更好。在實際汽車中，上面的參數(shù)相當重要，從這個角度看，我們的研究很有趣，很關(guān)鍵。”

當我們與石油商交流時，會有一種感覺：石油是活的，它在全球流動，讓某些國家變得更富有，讓地球變得更溫暖。與Singh交流，你也會有一種相似的感受：鋰也是活的。它現(xiàn)在沒有爆發(fā)只是因為受到一些技術(shù)上的壓制。Singh說：“開發(fā)Singh金屬電池讓我們謙虛，因為你不確定難題否能突破?！?br /> 責任編輯:tzh