锂电池新突破!固态电池15分钟可充到8成电量

早梅芳 2021-01-29 14:41:52

由前英飞朗CEO Jagdeep Singh联合斯坦福大学科学家Fritz Prinz、Tim Holme共同创立的固态锂金属电池公司QuantumScape于近日表示,其锂金属电池将很快应用到汽车和卡车上,但有一些观察家仍持怀疑态度。


锂,是周期表上最轻的金属,一直以来,科学家们认为锂金属电池是理想的储能技术。


锂电池新突破!固态电池15分钟可充到8成电量


数十年来,研究人员、企业一直在尝试制造经济实惠、可充电、不易燃的锂金属电池,但都失败了。


电池公司QuantumScape位于加州圣何塞,资金雄厚但却不为人知。在今年早些时候,该公司首席执行官贾迪普・辛格接受The Mobilist采访,称已经克服了关键技术挑战。辛格补充说,预计到2025年,大众公司将在大众汽车和卡车上使用QuantumScape电池,以削减成本、提高大众电动汽车的续航里程。


QuantumScape于11月上市,现在市值约为200亿美元,但目前还没有产品或收入,并且预计在2024年之前也不会有收入。大众已经向该公司投资了3亿多美元,并与之成立了一家合资企业来生产电池,QuantumScape还从其他大型投资者那筹集了数亿美元的资金。


不过,直到现在,辛格还是很少透露有关电池的细节。研究人员、竞争对手和记者都从专利文件、投资者文件和其他渠道寻找线索,以了解该公司究竟以何种方式、取得了哪些成果。


在12月8日的新闻公告中,QuantumScape终于提供了实验室测试的技术结果:QuantumScape研制了一款半固态电池,大多数电池靠电解液来促进带电原子在设备中移动,而这种电池使用的则是固态电解质。


由于使用固态电解质或能提高安全性和能量密度,众多研究人员和企业都在探索能否将其用于化学电池。但以往经验表明,开发难度很高。


不过,QuantumScape仍隐瞒其电池的某些细节,如所使用的一些关键材料和工艺。而一些专家仍然怀疑QuantumScape是否真正解决了棘手的技术挑战。如果技术挑战得以解决,在未来五年内,锂电池或能用于商用车。


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测试结果


在接受《麻省理工科技评论》采访时,辛格表示,QuantumScape已经证明所研发的电池将有效满足消费者五大需求,即成本更低、续航里程更多、充电时间更短、寿命更长以及安全性更高。而迄今为止,电动汽车销量占美国新车销量比例仍低于2%,正是因为这五大需求无法得到满足。


辛格说:“只要电池能够满足这些要求,相当于打开了98%的市场,现在任何方法都达不到这样的效果。”


QuantumScape电池的表现确实出类拔萃,在去年的一项测试中,美国汽车媒体MotorTrend发现,一辆电量为5%的Model 3汽车,使用特斯拉的V3超级充电器充到90%花了37分钟。而QuantumScape电池不到15分钟就能充到80%,并且在800次充电周期内可保持80%以上的容量,大致相当于行驶24万英里。即使充电和放电非常频繁,电池性能也几乎没有打折扣。


QuantumScape还表示,虽然还没有经过测试,但该电池能支持的行驶里程,可能会超过80%以上标准锂离子电池支持的电动汽车行驶里程。


马里兰大学化学和生物分子工程助理教授保罗・艾伯特斯说:“QuantumScape的数据太漂亮了。”据悉,艾伯特斯曾是美国能源先进研究计划局的IONICS项目主管,研究固态电解质,与QuantumScape没有任何隶属或财务关系。


艾伯特斯补充说,QuantumScape在锂金属电池方面“令其他人望尘莫及”,“QuantumScape都跑完一场马拉松了,而其他人只跑了5公里。”


如何实现?


那么,QuantumScape如何取得这些成就呢?


现在电动汽车的标准锂离子电池中,阳极主要是由石墨制成,便于储存在电池中来回穿梭的锂离子。在锂金属电池中,阳极就是由锂制成。那么,几乎每一个电子都可以用来储存能量,所以锂金属电池能量密度可能更大。


但几大挑战随之而来。首先,锂极不稳定。如果锂接触到支持离子移动的电解液等液体,可能会引发副反应,导致电池退化或起火。其次,锂离子流动会形成所谓树枝状的针状物,可能刺穿电池中间的分离器,导致电池短路。


多年来,研究人员为了解决上述问题,利用陶瓷、聚合物和其他材料,试图开发出不与锂金属反应的固态电解质。


QuantumScape的重要创新之一为开发出一种固态陶瓷电解质,该电解质也是分离器。这种电解质只有几十微米厚,能抑制树枝状物的形成,同时锂离子也能轻松来回通过。电池阴极侧的电解液是某种形式的凝胶,所以QuantumScape电池不是完全固态电池。


辛格拒绝说明所使用的材料,称其为最高商业机密。一些电池专家则根据专利文件猜测他们使用了一种名为LLZO的氧化物。找到这种材料花了五年时间,为防止出现缺陷和树枝状物,又花了五年时间研发有效组成、确定制造工艺。


QuantumScape认为,电池采用固态技术,将比目前的锂离子电池更安全。锂离子电池在极端情况下仍会偶尔起火。


另一个重要进步是,QuantumScape电池没有明显区分出阳极。参见QuantumScape视频,可了解更多“无阳极”设计。


电池充电时,阴极侧的锂离子会穿过分离器,并在分离器和电池末端的电触点之间形成平面层。放电时,几乎所有的锂离子都会回到阴极。这样一来,不需要任何不直接参与储能或载流工作,只需储存离子的阳极,便可以从而减少电池重量、减小体积。QuantumScape表示,制造成本也会下降。

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其余风险


然而,还有一个问题悬而未决。QuantumScape是在单层电池上进行实验室测试。而汽车电池需要有几十层电池一起工作。从试验到商业化生产是储能领域的重大挑战,许多曾经很有前途的电池初创企业都没有跨过这个坎,一败涂地。


艾伯特斯指出,许多公司都曾过早宣称电池取得突破,人们失望太多次了,于是对任何新电池都会起疑。艾伯特斯希望,QuantumScape能将电池提交给国家实验室,在标准化条件下进行独立测试。


其他行业观察家也表示,如果QuantumScape到目前为止只对单层电池进行严格测试,那么该公司能否通过规模化和安全测试,并在2025年之前将电池用于车辆依然存疑。


电池初创公司Sila Nanotechnologies是QuantumScape的竞争对手。Sila Nanotechnologies正在开发一种用于锂离子电池的能量密度阴极材料,并在The Mobilist报道前一天发布了一份白皮书,指出固态锂金属电池面临的一连串技术挑战。白皮书指出,考虑到保证锂金属电池工作所需的所有额外措施,各公司又在努力研发商业电池,锂金属许多理论优势都会减少。


但白皮书也强调,采购、生产、运输和安装锂离子的大规模全球基础设施已经存在,锂金属电池如何与之竞争实为最大挑战。


巨大赌注


但其他观察家表示,最新进展既表明,锂金属电池能量密度将大大超过锂离子电池,也表明可以解决阻碍锂金属电池发展的问题。


卡内基梅隆大学副教授文卡特・维斯瓦纳森维斯瓦纳森曾研究锂金属电池,并为QuantumScape公司做过咨询工作。他说:“过去的问题是锂金属电池会不会有,现在是锂金属电池什么时候能用上。”


辛格承认,公司仍然面临挑战,但坚持认为挑战在于制造和扩大生产规模方面。辛格认为,化学方面的工作已经足够。辛格还指出,公司现在拥有10亿美元资金,走向商业化生产将如虎添翼。


问及既然没有独立研究结果、为什么记者要相信公司结果,辛格强调,为保持透明度,分享的数据已尽可能多。辛格还补充说,QuantumScape不是“做学术研究的”。


辛格说:“说实话,也请你们不要介意,我们并不太在意你们在想什么。我们关心的是客户。客户已经看到了数据,在自己的实验室里进行了测试,效果也很好,于是下了大赌注。大众公司已经倾其所有了。”


换句话说,要知道QuantumScape是否如其所称完全解决了问题,就看大众能否在2025年之前在汽车上配置QuantumScape电池了。

来源:DeepTech深科技

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