大众合作的QuantumScape称电池合法突破

在某种程度上，所有现代锂离子电池都是一种折衷方案。最初的概念是“锂金属”电池，在相同体积下可以容纳更多的能量。仅有一个小问题：它们总是自我毁灭。但是本周，一家备受关注的电池技术公司宣布，它相信已经解决了这个问题。如果公司所显示的是准确的，那就很重要了。

首先，简要介绍一下。锂电池在充电过程中将锂离子从阴极穿梭到阳极，随着离子在阴极材料中返回其原位而收集能量。这就需要在中间有一个只允许锂离子通过的隔板，并且它需要一种导电电解质。在锂金属电池中，穿梭的锂离子仅在阳极侧形成纯金属锂。但是锂具有形成称为树突的分支针状结构的趋势，该树状结构可以刺穿阴极，导致电池短路。而且，由于这些电池中使用的液态电解质易燃，因此短路时会发生不良情况。

解决的办法是利用石墨阳极。石墨的有序结构使它成为锂离子的理想住所，锂离子可在充电过程中安全地进入房间供其停留。这大大降低了枝晶形成的风险。但是这种石墨可以占据电池体积的近一半，而无需增加额外的能量存储。这样可以使电池安全地工作，但会降低其性能。

改善锂离子电池的一种策略是形成固体电解质材料。这样做很吸引人，因为它可以代替电池的易燃成分，并且还可以减少电解质与其他电池材料之间不希望发生的化学反应，这些化学反应会随着时间的流逝而导致性能下降。在该项目从斯坦福实验室剥离并获得美国能源部的一些资助后，QuantumScape从事固体电解质的研究已有十年之久。 （尽管他们从没有成功的其他技术开始。）但是，除了这些好处之外，QuantumScape表示，其固体电解质材料还可以防止树枝状晶体形成。

在新闻发布会和视频电话中，QuantumScape展示了它已经制造的电池，并提供了大量测试数据。显而易见的警告是，这些测试尚未得到独立验证，足以让任何一个书呆子的眉毛前额逃逸速度。

测试单元与最终产品的外观并不完全相同（稍后会详细介绍），但它们是完整的单元。它们是袋式电池，具有单层阴极层，固体电解质层和阳极接触箔。他们没有描述阴极，但是从对后面一个问题的回答来看，它很可能是镍-锰-钴阴极材料，这是目前电动汽车最常用的材料。但是，固体电解质应适用于任何阴极类型。

在充电过程中，锂离子离开阴极材料，穿过固体电解质层，然后镀在阳极箔上以形成纯锂。这的确会导致电池厚度在充电过程中有点膨胀，但是QuantumScape表示，这种行为很容易解决，因为它只能沿一个方向膨胀。对于锂金属电池的一些尝试要求在阳极侧添加一层锂，以获得更好的稳定性，但是这种电池也可以跳过这种欺骗行为。

从方程式中删除阳极材料后，这些电池的检出功率为每升体积约1,000瓦时。相比之下，当今最好的锂离子电池在700s以下就达到了顶峰。

对于固体电解质材料的一些尝试要求提高温度（高于60°C）以保持稳定性，而在这里情况并非如此。测试表明，电池在-30°C至45°C的温度范围内均可安全运行，尽管它们在最冷的温度下确实会失去某些运行能力。

这些电池还可以处理惊人的充电率，仅用15分钟即可将充电率从0％提高到80％。石墨阳极是安全快速充电的主要瓶颈，固体电解质层似乎可以很好地防止枝晶形成，从而大大提高充电速率。这似乎也是可持续的，因为即使是这种充电速率也可以承受1,000个充电周期，而容量损失仅为10％。这意味着电池寿命应与当今的锂离子电池相当。

与典型的实验室研究相比，QuantumScape看起来要走得更远。该公司表示，大约五年前就已将陶瓷材料确定为其固体电解质，并且从那时起一直在致力于制造过程。但是在这里和使用这些电池的车辆之间仍然存在障碍。虽然QuantumScape所显示的测试单元仅包含一个与扑克牌大小相近的电池夹心层，但该公司表示，其实际的电池单元将更像是一叠纸牌，其中包含许多堆叠在一起的层。 QuantumScape需要设计该单元。

从那里，公司将需要扩大其材料的生产规模。这不仅仅是赚更多钱的问题。 QuantumScape将需要做更多的事情，同时保持完美的质量。尽管公司首席执行官Jagdeep Singh在回答有关缺陷容忍度的问题时有些回避，但似乎任何不一致都可能使树突形成并破坏细胞。

不过，QuantumScape已经获得了巨额投资。就在几周前，它与一家投资集团合并后公开上市。 （这是一个很好的时间来展示有希望的数据...）并且它与大众汽车公司达成了一项合作协议，该协议将扩展到制造阶段，因此它不会自行迈向工业化规模。

至于需要多长时间，辛格解释说，尽管该公司不需要任何激进的制造流程，但您无法准确订购此机器进行两天的运输。但是，如果QuantumScape达到了里程碑，它打算在2024或2025年将产品推向电动汽车市场。

人们普遍对新电池技术的前景表示谨慎，但是可以说，这项技术似乎比平时更成熟。 它似乎也检查了所有的框，而不是仅仅提供了一个令人兴奋的特性（低估了）。 除非测试数据以某种方式被伪造或根本无法代表，否则这是一项引人注目的技术。 也许其他在这个领域工作的公司正在采用类似的方法，但尚未发布。 但是无论哪种方式，如果像这样的电池越过终点线，那将是超越近年来的进步的一个重大飞跃。