固態電池出現大突破?QuantumScape 解決了「枝晶難題」?

固態電池出現大突破?QuantumScape 解決了「枝晶難題」?

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QuantumScape是一家鋰金屬電池創業公司,11月股市開始交易的第一天,它的股價大漲57%。10天之後,QuantumScape的股價又翻了一倍,過了不到兩週,股價再漲72%。在不到一個月的時間裡,QuantumScape股價漲了5.7倍。隨後股價開始大跌。與大約兩個月前相比,現在它的股價大約只上漲了80%。

現在鋰離子電池技術似乎迎來重大突破,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,埃克森美孚公司(Exxon)發明第一個鋰儲存裝置,之後研究人員便開始努力,想做到石油公司沒有做成的事:開發出高純鋰電池,鋰是元素週期表上最輕的金屬。如果他們成功了,新電池就能為電動汽車提供強大的電力儲存裝置。可惜,一直沒有人有能力駕馭這種頑固的金屬。

固態電池出現大突破?QuantumScape 解決了「枝晶難題」?

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複充電和放電後金屬積澱不均勻造成的。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,進而造成電池短路,使設備「死亡」。研究人員想解決枝晶問題,但他們連引發的原因都沒有完全搞明白。有一點是研發人員認同的:枝晶很可怕。在研發電池的過程中,如果發現枝晶開始出現,也就意味著不得不宣告研究失敗了。

去年12月,QuantumScape發布消息,宣稱公司取得令人矚目的成績。它開發出新型鋰金屬電池,這種電池只要15分鐘就能充滿電,裝進汽車,當汽車行駛24萬英里之後,還能保持90%剩餘電量。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群沸騰了。

不久前,QuantumScape的兩位創始人接受採訪,但他們似乎只想談論一件事:公司是如何解決枝晶問題的?

QuantumScape CEO 傑迪普·辛格(Jagdeep Singh)和CFO 提姆·福爾摩(Tim Holme)解釋說,公司找到了引發枝晶的準確原因,隨後研究人員開發一種材料,它可以在枝晶「成長」之前克制它們。如果研究成果真的有效,它會是1991年鋰離子電池商業化之後電池領域最重要的突破。Singh說:「我們很幸運,最終開發出這樣一種材料。團隊發現了它。還有,團隊可以用低成本大規模製造這種材料。如果做不到這一點,那就沒有意義。」

在過去幾年裡,QuantumScape是一家很神秘的公司,它拒絕透露最基本的細節。去年9月,QuantumScape在紐交所上市,大家開始走近它。儘管如此,對於這種關鍵的分離材料(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:班尼斯特(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分鐘以內跑完1英里。1954年,一位25歲的英國醫學院學生衝破極限,他叫羅傑·班尼斯特(Roger Bannister)。可惜新紀錄並沒有保持多久。46天之後,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。在隨後的幾年裡,又有1400多人達到。由此可以看出,在4分鐘內跑完1英里這個障礙只是意識上的,並非做不到。

枝晶只是意識上的障礙嗎?其它企業也能打敗嗎?

2009年,辛格想發明新電池。當時他是Infinera光網路公司的CEO和創始人,辛格辭去工作,向理想挺進。辛格在史丹佛大學拿到電腦學位,在那裡結識了材料學教授福爾摩和佛里茲·普林斯(Fritz Prinz)。第二年,QuantumScape公司創建。

辛格說:「我們當時並不知道應該如何製造更棒的電池,我們只是想增加能量密度,加快充電速度,增強安全性,等等。」不只如此,製造必須便宜,電池內不能有稀土或者稀有材料(比如鍺、鉑、鈀),製造必須可以持續,用現有鋰離子電池製造機器就能生產。

固態電池出現大突破?QuantumScape 解決了「枝晶難題」?

很快辛格就得出結論,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,但裡面只有少量鋰,放在安全的石墨陽極中。為了製造純鋰金屬電池,大多研究人員會開發固態分離器,防止液態電解質破壞鋰金屬。辛格的目標也是一樣的,為了製造新電池,他融資1.5億美元。沒多久,QuantumScape就招募了大約100名工程師。福爾摩團隊將所有可能的材料列出來,看看哪種材料能夠製造最好的分離器。

辛格說:「很可惜,所有材料都會形成枝晶。這是最大挑戰,也是唯一挑戰。」一年過去了,然後是兩年,三年。2014年辛格絕望了,團隊其它人也絕望了。辛格用照片展示枝晶,他說:「真是一張讓人恐懼的圖片。這裡是固體分離器,但它無法阻止枝晶。在圖片你可以看到鋰金屬穿過材料,上面的灰色區域說明鋰已經滲透到材料中。」

沒有一種材料有用。辛格回憶道:「當時我們陷入黑暗時刻。公司融資了不少錢,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。現金躺在銀行帳戶上。是不是應該繼續投資?是不是應該告訴投資者:『伙計,錢還給你,項目行不通。』」

福爾摩將所有人集中,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,我們就不會有產品,不會有公司。」在整整一年裡,工程團隊所有人都圍著枝晶問題轉。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,枝晶就不會穿透並導致電池短路;但後來他們發現並非如此,即使是堅硬的陶瓷,鋰也能穿透。無奈之下,研究人員只好開發軟分離器,但同樣不管用。

最終研究人員拋棄所有文獻。辛格說:「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。我們要開發自己的計量技術,評估技術和材料品質,因為事實已經證明,有東西引起枝晶,但普通的計量技術甚至都無法評估。」

2015年,團隊終於就鋰枝晶給出一套解釋。隨後他們用這套標準測試收集的材料,最終發現有一種材料可以解決枝晶問題,效果還不錯。辛格說:「我本來很憂鬱,但隨後這種情緒開始緩解。」

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。隨後團隊優化材料,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,團隊進入最後一步,將電池擴大,從30x30公釐變成70x85公釐。

到底QuantumScape發現了什麼?枝晶是什麼引起的?他們沒有說。辛格說:「最終我們會向公眾披露的,現在行業還不知道,要做很多工作、付出很多汗水才能找到原因,如果我們現在就披露,競爭對手進入就會容易很多。所以我們現在要保密。 」

在過去幾十年裡,電池社群一直被枝晶折磨,聽到QuantumScape的宣言許多研究人員無法接受。當我諮詢研究人員,他們經常會反問:QuantumScape是不是發現一種通用鋰枝晶解決方案?還是說這種方案並非通用方案,有侷限性?BloombergNEF能源研究公司能源儲存主管詹姆士·佛斯(James Frith)問道:「它們的解決方案能否應用於其它鋰離子系統?還是說只適用於它自己的系統?就算它們的突破是真的,如果其它人無法從QuantumScape的發現中受益,又怎麼能說是真正的科學突破?」

我問辛格,它們的解決方案是不是通用枝晶解決方案。辛格在郵件中回應稱:「我們的發現適用於固態分離器,而據我們所知,它是唯一能阻止枝晶的方法。」從辛格的話分析,似乎QuantumScape的方法適合於各種固態分離器,競爭對手也能用。如果真是這樣,電池產業就會迎來班尼斯特時刻。現在最重要的問題在於確認,看看突破是不是真的。佛斯說:「要請獨立人士來驗證。只有這樣能確認它是不是真的。」但到目前為止還看不到獨立驗證結果。

傑夫·坂本(Jeff Sakamoto)是密西根大學材料學教授,他的電池研究工作和QuantumScape差不多。傑夫·坂本回應稱,如果QuantumScape關於枝晶的報告是真的,那的確是重大突破。QuantumScape還說:「鋰金屬電池是電池產業的聖杯,這的確是突破。」至於突破是不是技術上的突破,他無法確認。傑夫·坂本仔細查看了QuantumScape的專利文件,他認為該公司可能只是找到了一種巧妙的方法來操縱電池。QuantumScape也許會調節進入電池的電池。傑夫·坂本說:「當電池開始形成枝晶時,他們可以阻止,讓電流逆轉。如果小心控制,就能繞開枝晶問題。」如果QuantumScape在材料科學方面找到突破口,傑夫·坂本會更加高興。

坂本指出:「研究他們的專利文件可以發現,QuantumScape並非在材料方面找到了突破口,也不是開發出魔幻塗層。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來解釋。如果他們真的開發出突破性材料或者塗層,卻保密不公開,那會是非常危險的舉動,因為產品的特點會顯露出來。我就會想,它們只是改變了電池循環方法,和電池內的材料無關。」

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,如果想讓電池商用,層數要增加到100層。許多專家都說,增加層數是很難的事。

我們應該聽聽QuantumScape的競爭對手是怎麼說的,比如Solid Power,它也是美國公司,正在研究固態電池。Solid Power CTO 賈許·布特納-加勒特(Josh Buettner-Garrett)沒有明確提到QuantumScape,他認為,製造單層電池是一回事,製造多層電池並保持同樣的性能又是另一回事;在汽車產業如何以合適的成本大規模生產多層電池是關鍵,而QuantumScape並沒有明確解釋。

阿貢國家實驗室能源儲存協作中心主管文卡特·史里尼瓦桑(Venkat Srinivasan)認為,如何增加層數?如何規模化?這些難題為其它電極(比如矽)留下了機會,它們也可以搶先商業化,QuantumScape的創新的確是一大進步,但從技術角度看是不是真的大飛躍?我們無法確定。文卡特·史里尼瓦桑說:「再過15年,當我們回頭看,可能會發現矽才是改變電動汽車版圖、讓人類全面走向電氣化的關鍵。」

針對這種懷疑,我發了封郵件給辛格。我在郵件中問:「鋰金屬內為什麼會出現枝晶?你們聲稱已經找到了明確原因。我可不可以這樣理解,你們並不是發明一套新理論,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?」

辛格在回復中表示:「出於謙虛,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,我們用它可以預測砲彈路徑、月蝕時間,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,這種理論和傳統智慧不太一樣,我們可以驗證這一理論,然後開發出固態分離器,它可以在高密度電流下運行,而且循環次數可以超過1000次,這樣說可能更好。在實際汽車中,上面的參數相當重要,從這個角度看,我們的研究很有趣,很關鍵。」

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。與辛格交流,你也會有一種相似的感受:鋰也是活的。它現在沒有爆發只是因為受到一些技術上的壓制。辛格說:「開發金屬電池讓我們謙虛,因為你不確定難題否能突破。」

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