文|經緯創投
在固態電池明星公司QuantumScape的萬圣節派對上，連續很多年都有一位工程師會扮成“鋰枝晶”形狀的怪物，就像一個白色的人形樹枝，專門去嚇研發部門。
鋰枝晶之所以會讓研發部門感到毛骨悚然，就是因為它不僅是造成液態鋰電池短路的元兇，也是鋰金屬陽極固態電池的克星。鋰枝晶會穿透電池的隔膜，造成正負極短路，導致起火燃燒甚至爆炸。
電子顯微鏡下的鋰枝晶
鋰金屬陽極是固態電池神話的重要環節，也是QuantumScape故事的核心組成部分。我們都知道，固態電池最大的不同在于沒有液態電解質，但真正的性能提升，來自于把負極材料從現在用的碳基，跨過硅基，直接過渡到終極方案——鋰金屬，它能極大提升電池的能量密度。
自20世紀70年代以來，人們就知道鋰金屬負極能極大提高電池的能量密度。但在液態電池時代，由于電池充電時，這種樹枝狀物很容易刺透隔膜造成短路，或者導致電池內部電阻快速增加，所以鋰金屬負極不能與傳統液態電解質一起用。
因此，人們普遍認為要想用鋰金屬，需要一種固態電解質，它的導電性能需要與液體大致相同，但能抵制鋰枝晶的形成，并且不會與金屬鋰發生化學反應。
幾十年來，從美國橡樹嶺國家實驗室、英國劍橋大學、中國中科院，到豐田汽車、LG化學、寧德時代、QuantumScape、Solid Power等等，無數科學家一直在尋找這種材料。
由于固態電池的故事改變了人類儲能方式，誰攻克了它，就能掌握新能源動力的核心。日韓傾舉國之力推進硫化物材料技術路線，歐洲走聚合物，而中國主要走氧化物路線，美國則是以創業公司為主，同時推進多條路線。
但直到今天，還沒有切實可行的方案出現，量產時間表也一延再延，固態電池成為電動車產業中，與自動駕駛并駕齊驅的另一張“大餅”。今天這篇研究文章，我們就通過分析固態電池第一股QuantumScape，來縱觀固態電池賽道，包括固態電池的技術原理；硫化物、氧化物、聚合物三大技術路線的優劣勢等等。以下，Enjoy：
01 “固態電池第一股”QuantumScape的大起大落
在沒有得到產業端的驗證前，幾乎沒有人能穿透迷霧看到固態電池的終局。
如果你在固態電池行業里調研一圈，往往能得到很多互相矛盾的信息，導致很難做出判斷。
QuantumScape（以下簡稱QS）也不例外。QS的創始團隊堪稱明星陣容，創始人兼CEO Jagdeep Singh畢業于斯坦福大學，曾任光通信設備公司Infinera的創始人兼CEO；另兩位聯合創始人Fritz Prinz和Tim Holme都是斯坦福大學科學家；特斯拉前聯合創始人JB Straubel與前董事Brad Buss也陸續加入了董事會。
印度人Jagdeep Singh是QuantumScape創始人兼CEO，他畢業于斯坦福大學
整個研究團隊在美國先進能源計劃署（ARPA-E）資助下獨立創業，擁有了200多項固態電池專利及應用。就連對鋰電池研究產生巨大貢獻的諾貝爾化學獎得主Stan Whittingham博士，也曾夸贊說“我在其他任何地方都沒見過這么好的數據，我認為這是一個真正的突破。”
QS在一級市場十分受追捧，比爾蓋茨曾經毫不猶豫地注資，大眾汽車也為了押注未來，多次加碼，拿到董事會席位，大眾在2020年還追加2億美元投資，以幫助QS預計在2025年建立固態電池量產生產線。
2020年11月，QS終于通過SPAC成功上市，拿到了10億多美元的資金。1個多月后，QS的股價沖到了歷史高峰，市值一度逼近500億美元。美國著名投資人索羅斯也在四季度大幅加倉，QS一度成為索羅斯的第四大重倉股。
但此時的QS，不僅沒有收入、沒有能夠量產的固態電池，甚至連實測數據都不太全面。人們對新技術的狂熱，疊加低利率的資本環境，讓這股熱潮沖向頂峰。
要想穿透迷霧并不容易。各大投行紛紛覆蓋了這支熱門股，雖然給早期科技公司估值并不容易，像投行擅長的DCF模型都幾乎沒用，但Morgan Stanley還是給出了40美元的預測，JPMorgan給出了35美元。
QS還在2020年12月上旬，向投資者展示了初步數據，這款可在15分鐘內充到80%電量的固態鋰金屬電池，可提升電動車90%的續航里程，并且因為無負極的設計，可以至少降低15%的成本。
在這種狂熱氛圍中，QS的股價最高飆到了132美元。但隨著美聯儲加息周期的開啟，人們紛紛從高風險的公司中撤離，如今QS只有9美元。這種過山車般的遭遇，又一次印證了Gartner新興技術成熟度曲線的前半段。
不過，雖然股價大起大落，但QS的研發依然在照常推進。QS的技術特點是：無負極設計、陶瓷材料的固態隔膜、多層堆疊。
QS的無負極設計，是其產品的一大亮點。制造時，電池里沒有傳統的石墨/硅的負極結構，鋰只存在于正極中。當電池第一次充電時，鋰離開正極，通過固態電解質和板直接擴散到負極電流收集極上的薄金屬層，形成一個負極。而當電池放電時，鋰會擴散回正極，此時電池無負極。周而復始。
這依賴于QS專有的固態陶瓷隔膜，它代替了傳統液態電解質和多孔隔膜，QS宣稱花了十年才找到這種同時有良好導電性，又能防止鋰枝晶產生的材料。
QS面臨的挑戰是如何實現高性能、極薄的隔膜，這種隔膜越薄，缺陷風險就越高（比如前文提到的鋰枝晶）。但同時，隔膜又必須薄，因為這樣才能達到理想的能量密度。QS設計的隔膜將在10微米左右，比人的頭發還薄。
與傳統的碳/硅負極相比，鋰金屬負極可在不增加電池組尺寸與重量的情況下，實現更高的能量密度（1000Wh/L），也意味著更長的續航里程（超過1000km），同時提供高功率（用于快速充電，QS的商業化單層電池原型能夠實現15分鐘快充80%，普通鋰電池需要40分鐘）、長循環壽命（電解液會與陽極產生副反應，導致鋰的不可逆損失，降低電池使用壽命）和更高的安全性，它能解決阻礙電動車普及的很多核心問題。
由于這種固態電池的特性，QS開始在單層電池的基礎上，研發多層電池。基本構建是雙層電池，由雙面正極構成，中間是兩層電解質，疊加兩層電池就可以得到4層電池，同時需要4層電解質。
QS在2020年四季報中首次公布了30x30mm的4層電池，測試結果與一層電池功能接近，保持了近800次循環后超過90%的容量。
不過，實驗室數據好不代表就能商業化生產了，QS面臨的最大問題在于生產一致性和成本。
由于QS展示的性能測試數據，都是基于單體疊片的結果，而不是真正的電池組，當這些電池多層疊片之后，是否還能穩定工作，達到同樣的性能，是非常大的未知數。
成本也是個大問題。在實驗室里，可以用制造芯片的納米級精度設備與工藝，來制備樣品，但對大規模生產就過于昂貴了。但如果用更便宜的手段，還能否保持高良品率，也是未知數。
以及雖然QS對自己固態電池的材料體系諱莫如深，但外界還是質疑其電導率遠不如液態電解液。
QS給出的時間表是要在2028年初步實現規模化生產，計劃產能為91GWh。雖然QS實現了“1%的可能性”，但要完成后面99%的“工程學問題”，成為可靠產品，還需要大量試錯和改進。
毫無疑問，固態電池仍然任重道遠。
02 固態電池三大技術路線之爭
當下的固態電池行業，在最基礎的技術路線上，還沒有達成共識。
主流的三種技術路徑分別是：硫化物、氧化物和聚合物。
理想的狀態是，這個材料需要有液體電解質的鋰離子電導率；對鋰金屬具有化學和電化學穩定性；同時能盡可能地少產生鋰枝晶；制造成本比較低，不用稀有元素。
但目前這三條路徑各有優缺點，還沒有能同時滿足以上要求的。上文提到的QS使用的陶瓷材料，隸屬于氧化物材料體系。
聚合物，最初被認為是合適的候選材料，最早實現固態電池裝車測試。聚合物的優點是易加工，與現有的液態電解液的生產設備、工藝都比較兼容，它的機械性能好比較柔軟。
但它的缺點也十分致命，首先是電導率太低，需要加熱到60度高溫才能正常工作；其次是與鋰金屬的穩定性較差，導致它沒有辦法適配于高電壓的正極材料，所以限定了它的能量密度。聚合物電化學窗口窄，電位差太大時（>4V）電解質易被電解，這使得聚合物的性能上限較低。
聚合物的熱穩定性普遍在200度以下，但氧化物與硫化物的熱穩定性可較輕松達到400-600度以上，而聚合物在高溫下也會發生起火燃燒的現象。我們對固態電池就是希望它能徹底解決安全的問題，所以聚合物雖然是三條技術路線中最早開始推進商業化應用的，但到現在也沒有大面積鋪開。
中科院物理研究所博士生導師、天目湖先進儲能技術研究院首席科學家吳凡總結，歐洲是最早推進聚合物固態電池產業化的地區。當時法國的Bollole公司首次提出把聚合物固態電池用在電動巴士（Bluebus）、電動出租車（Bluecar）等公共交通領域，但是聚合物電池的缺點是需要在60度的高溫環境下才可以正常充放電，并且聚合物本身也有化學穩定性差的問題，無法適用于高電壓的正極材料，像鈷酸鋰、高鎳三元等等，熱安全性也不強。所以最終聚合物固態電池也沒有形成趨勢。
而歐洲也逐漸轉為以投資為主，歐洲著名的整車廠多次投資國外的電池企業，像大眾、寶馬、奔馳都有投資相應的美國初創公司，以爭取在下一代全固態電池上的話語權。
硫化物，是三種材料體系中電導率最高的，并且電化學穩定窗口較寬（5V以上），但熱動力穩定性很差，如何保持高穩定性是一大難題。一種解決方法是進行外層涂覆，但這又增加了電池的電阻。另外，硫化物至今仍然無法避免鋰枝晶的產生。
在生產層面，硫化物固態電池的制備工藝比較復雜，因為硫化物容易與空氣中的水、氧氣反應產生硫化氫劇毒氣體。這個問題可以在工藝上解決，但會增加不小的成本。
綜合來看，硫化物是全固態電池中潛力最大的，諸多動力電池巨頭（豐田、LG、松下等）選擇其為主要技術路徑。其中豐田最為激進，擁有全世界最多的固態電池專利。
氧化物，它具有較好的導電性和穩定性，并且離子電導率比聚合物更高，熱穩定性高達1000度，同時機械穩定性和電化學穩定性也都非常好。
但氧化物的缺點是，相對于硫化物，電導率還是偏低的，這使得在性能中會遇到容量、倍率性能受限等等一系列問題。
更嚴重的一個問題是，氧化物非常堅硬，這就導致固態電池里“固固接觸”問題非常嚴重。氧化物的顆粒是以點接觸形式存在，如果我們在簡單的室溫冷壓情況下，用氧化物做成的全固態電池將是一個孔隙率非常高的電池。在液態電池中，所有的孔隙都有電解液浸潤，所以界面接觸沒有任何問題，但在固態電池中，這些孔隙就無法導鋰。
這些核心問題導致氧化物體系不大可能是全固態電池。目前國內都在研發的，其實是固液混合方向，既有氧化物的固態電解質層，又有電解液浸潤，這樣能夠填充孔隙，讓它有完好的導鋰通道。
中國主要押注的是氧化物路線，中國四大頭部固態電池公司（北京衛藍、江蘇清陶、寧波鋒鋰、臺灣輝能），都是以氧化物材料為基礎的固液混合技術路線為主。
浙江大學材料科學與工程學院研究員范修林認為，固液混合并不是一個過渡技術，它可以算是固態電池的一種，甚至如果全固態電池走不通的話，也有可能成為一個最終的解決方案，這些現在都還很難準確預測。
固液混合在3C電池領域，其實已經實際應用了，它吸取了部分液態電池的優點，比如固液混合電解質與正負極的接觸，很好地繼承了液態的優點，所以發展起來也更容易一些。當然，固液混合現在面臨的巨大問題是，倍率性與液態電池相比還是差一些。如果未來能把用在3C電池上的技術方案，進一步提升離子電導率，轉接到動力電池上也是很有潛力的，很多人也在往這個方向研發。
目前，其實不少材料能產生不錯的實驗數據，但離上車應用與規模化生產都還有很遠的距離。固態電池的技術路徑并非絕對，不同特性能適應不同場景。固態電池可能也不會一上來就運用在電動車上，而是先從特種設備和消費電子開始。
液態鋰電池經歷了幾十年的發展，已經形成了三元/磷酸鐵鋰構成的正極材料體系，負極正在向硅基迭代，這些革新的確可以增加能量密度，但都是漸進式創新，而且理論天花板就在那里。
往遠看5年，固態電池無疑會是最具顛覆性和商業潛力的電池技術之一。一方面通過把可燃性的電解液換成固態電解質，很大程度解決了液態電池易燃的問題。
另一方面更容易替換成終極負極方案——鋰金屬，可將能量密度提升10倍以上。“目前液態鋰離子電池的能量密度到了300Wh/kg，這已經達到了一個極限，下一步或下一代電池要發展固態電池，逐漸要過渡到全固態鋰電池。”中國工程院院士陳立泉在2021年中國電動汽車百人會論壇上表示。
美國國家發明家科學院院士、賓夕法尼亞州立大學講席教授、電池與儲能研究院院長王朝陽認為，最近幾年對全固態電池最大的認知突破是，要想把整體性能做好，不應該只追求高導電率，而是轉向追求更高的穩定性，盡管導電率會差一點。在這種新認知下面，相信未來會有一些新材料出現。
但對于新技術，依然很難去預測到底什么時候能成熟。如果我們用倒推法，如果固態電池能在2026年商業化，而汽車行業必須有4-5年的合規驗證時間，那么倒推到今天，各大科研院所應該都在測試自己的固態電池。但實際上，幾乎所有科研院所都還沒有像樣的固態電池，更沒有車規級的測試數據。
如今去討論全固態電池什么時候能規模化，還為時過早，我們只能等待科學上的突破。但有一點可以確定的是，固態電池的滲透率至少要超過0.1%，才是有意義的商業化。王朝陽認為全固態電池還需要十年時間，真正的商業化至少要在2030年之后。
同時，固態電池的競爭對手不是2022年的液態電池技術，而是2025-2030年的性能和成本結構，液態電池規模化帶來的成本下降是重中之重，標準在不斷提高。
無論從哪個角度來說，這項萬眾矚目的顛覆性技術，很明顯還需要時間。這場波瀾壯闊的下一代電池之戰，將在下一個十年與自動駕駛之戰一同打響，人類出行革命靜待變革。
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）天風證券：固態電池整裝待發
7）光大證券：固態電池，搶占下一代鋰電技術制高點
8）興業證券：固態電池：道阻且長，仍需腳踏實地
9）建約車評：固態電池，2025見？
10）德勤：中國鋰電行業發展“電池風云”