固态电池出现大突破,QuantumScape 解决了“枝晶难题”?

神译局 · 2021-02-22
固态电池来了!

编者按:到处都是电池,电子设备需要电池,汽车飞机也需要强大的电池。可惜,锂电池却碰到了技术瓶颈。许多企业正在研究固态电池,它是人类的希望。但固态电池有一个很大的难题没有解决,也就是“枝晶难题”。现在有一家公司宣称它找到了解决方案。原文作者Steve LeVine,原文标题为:If True, QuantumScape Has Made the Biggest Leap in Batteries Since the Debut of Lithium-Ion

QuantumScape是一家锂金属电池创业公司,11月股市开始交易的第一天,它的股价大涨57%。10天之后,QuantumScape的股价又翻了一倍,过了不到两周,股价再涨72%。在不到一个月的时间里,QuantumScape股价涨了5.7倍。随后股价开始大跌。与大约两个月前相比,现在它的股价大约只上涨了80%。

现在锂离子电池技术似乎迎来重大突破,如果你能理解到这一点,便会明白QuantumScape的股价疯狂上涨符合逻辑。大约45年前,埃克森美孚公司(Exxon)发明第一个锂存储装置,之后研究人员便开始努力,想做到石油公司没有做成的事:开发出高纯锂电池,锂是元素周期表上最轻的金属。如果他们成功了,新电池就能为电动汽车提供强大的电力存储装置。可惜,一直没有人有能力驾驭这种顽固的金属。

但金属电池有一个巨大缺陷,它会形成枝晶。枝晶的形成是电池重复充电和放电后金属积淀不均匀造成的。电池使用时间延长,金属晶簇会生长,形状类似树枝,有时能够穿透电极隔离膜,从而造成电池短路,使设备“死亡”。研究人员想解决枝晶问题,但他们连引发的原因都没有完全搞明白。有一点是研发人员认同的:枝晶很可怕。在研发电池的过程中,如果发现枝晶开始出现,也就意味着不得不宣告研究失败了。

去年12月,QuantumScape发布消息,宣称公司取得令人瞩目的成绩。它开发出新型锂金属电池,这种电池只要15分钟就能充满电,装进汽车,当汽车行驶24万英里之后,还能保持90%剩余电量。在一项测试中,电池甚至只要2分钟就能充满。一时间,华尔街和电池研究社区沸腾了。

不久前,QuantumScape的两位创始人接受采访,但他们似乎只想谈论一件事:公司是如何打败枝晶的?

QuantumScape CEO Jagdeep Singh和CFO Tim Holme解释说,公司找到了引发枝晶的准确原因,随后研究人员开发一种材料,它可以在枝晶”成长“之前克制。如果研究成果真的有效,它会是1991年锂离子电池商业化之后电池领域最重要的突破。Singh说:“我们很幸运,最终开发出这样一种材料。团队发现了它。还有,团队可以用低成本大规模制造这种材料。如果做不到这一点,那就没有意义。”

在过去几年里,QuantumScape是一家很神秘的公司,它拒绝透露最基本的细节。去年9月,QuantumScape在纽交所上市,大家开始走近它。尽管如此,对于这种关键的分离材料(在两极之间的薄膜片),QuantumScape仍然保持沉默。

有一个问题值得我们思考:Bannister时刻真的来了吗?从19世纪开始,全球赛跑教练和运动员都在努力,试图达成一个目标:在4分钟以内跑完1英里。1954年,一位25岁的英国医学院学生冲破极限,他叫Roger Bannister。可惜新纪录并没有保持多久。46天之后,澳大利亚运动员又刷新纪录,第二年,在一次比赛中居然有3位选手也达到目标。在随后的几年里,又有1400多人达到。由此可以看出,在4分钟内跑完1英里这个障碍只是意识上的,并非做不到。

枝晶只是意识上的障碍吗?其它企业也能打败吗?

2009年,Singh想发明新电池。当时他是Infinera光网络公司的CEO和创始人,Singh辞去工作,向理想挺进。Singh在斯坦福大学拿到计算机学位,在那里结识了材料学教授Holme和Fritz Prinz。第二年,QuantumScape公司创建。

Singh说:“我们当时并不知道应该如何制造更棒的电池,我们只是想增加能量密度,加快充电速度,增强安全性,等等。”不只如此,制造必须便宜,电池内不能有稀土或者稀有材料(比如锗、铂、钯),制造必须可以持续,用现有锂离子电池制造机器就能生产。

很快Singh就得出结论,要造出超级电池,最好的选择是锂。但是锂金属极为活跃,目前的电动汽车电池也是锂电池,但里面只有少量锂,放在安全的石墨阳极中。为了制造纯锂金属电池,大多研究人员会开发固态分离器,防止液态电解质破坏锂金属。Singh的目标也是一样的,为了制造新电池,他融资1.5亿美元。没多久,QuantumScape就招募了大约100名工程师。Holme团队将所有可能的材料列出来,看看哪种材料能够制造最好的分离器。

Singh说:“很可惜,所有材料都会形成枝晶。这是最大挑战,也是唯一挑战。”一年过去了,然后是两年,三年。2014年Singh绝望了,团队其它人也绝望了。Singh用照片展示枝晶,他说:“真是一张让人恐惧的图片。这里是固体分离器,但它无法阻止枝晶。在图片你可以看到锂金属穿过材料,上面的灰色区域说明锂已经渗透到材料中。”

没有一种材料有用。Singh回忆道:“当时我们陷入黑暗时刻。公司融了不少钱,但看不到隧道尽头有光。你不知道正确的行动应该是怎样的。现金躺在银行账户上。是不是应该继续投资?是不是应该告诉投资者:‘伙计,钱还给你,项目行不通。’”

Holme将所有人集中,对他们说:“没有时间了。将工作放下,所有人都听着,现在我们要开始解决枝晶问题。如果问题不解决,我们就不会有产品,不会有公司。”在整整一年里,工程团队所有人都围着枝晶问题转。他们收集所有枝晶形成的理论。最开始他们认为只要分离器足够硬,枝晶就不会穿透并导致电池短路;但后来他们发现并非如此,即使是坚硬的陶瓷,锂也能穿透。无奈之下,研究人员只好开发软分离器,但同样不管用。

最终研究人员抛弃所有文献。Singh说:“我们必须回到主要原则,就枝晶的形成原因提出自己的理论。我们要开发自己的计量技术,评估技术和材料质量,因为事实已经证明,有东西引起枝晶,但普通的计量技术甚至都无法评估。”

2015年,团队终于就锂枝晶给出一套解释。随后他们用这套标准测试收集的材料,最终发现有一种材料可以解决枝晶问题,效果还不错。Singh说:“我本来很压抑,但随后这种情绪开始缓解。”

从开始到成功,团队整整花了五年,他们所要的不过小小的一片材料。随后团队优化材料,试图让材料变得更大更好,而且不能有缺陷。每一次增大尺寸都要花费大约6个月至1年,这个阶段又耗费了5年时间。到了2019年年底和2020年,团队进入最后一步,将电池扩大,从30x30毫米变成70x85毫米。

到底QuantumScape发现了什么?枝晶是什么引起的?他们没有说。Singh说:“最终我们会向公众披露的,现在行业还不知道,要做很多工作、付出很多汗水才能找到原因,如果我们现在就披露,竞争对手进入就会容易很多。所以我们现在要保密。”

在过去几十年里,电池社区一直被枝晶折磨,听到QuantumScape的宣言许多研究人员无法接受。当我咨询研究人员,他们经常会反问:QuantumScape是不是发现一种通用锂枝晶解决方案?还是说这种方案并非通用方案,有局限性?BloombergNEF能源研究公司能源存储主管James Frith问道:“它们的解决方案能否应用于其它锂离子系统?还是说只适用于它自己的系统?就算它们的突破是真的,如果其它人无法从QuantumScape的发现中受益,又怎么能说是真正的科学突破?”

我问Singh,它们的解决方案是不是通用枝晶解决方案。Singh在邮件中回应称:“我们的发现适用于固态分离器,而据我们所知,它是唯一能阻止枝晶的方法。”从Singh的话分析,似乎QuantumScape的方法适合于各种固态分离器,竞争对手也能用。如果真是这样,电池产业就会迎来Bannister时刻。现在最重要的问题在于确认,看看突破是不是真的。Frith说:“要请独立人士来验证。只有这样能确认它是不是真的。”但到目前为止还看不到独立验证结果。

Jeff Sakamoto是密歇根大学材料学教授,他的电池研究工作和QuantumScape差不多。Jeff Sakamoto回应称,如果QuantumScape关于枝晶的报告是真的,那的确是重大突破。QuantumScape还说:“锂金属电池是电池产业的圣杯,这的确是突破。”至于突破是不是技术上的突破,他无法确认。Jeff Sakamoto仔细查看了QuantumScape的专利文件,他认为该公司可以只能是找到了一种巧妙的方法来操纵电池。QuantumScape也许会调节进入电池的电池。Jeff Sakamoto说:“当电池开始形成枝晶时,他们可以阻止,让电流逆转。如果小心控制,就能绕开枝晶问题。”如果QuantumScape在材料科学方面找到突破口,Jeff Sakamoto会更加高兴。

Sakamoto指出:“研究他们的专利文件可以发现,QuantumScape并非在材料方面找到了突破口,也不是开发出魔幻涂层。换言之,在性能方面到底是如何取得进步的,我们找不到明确的证据来解释。如果他们真的开发出突破性材料或者涂层,却保密不公开,那会是非常危险的举动,因为产品的特点会显露出来。我就会想,它们只是改变了电池循环方法,和电池内的材料无关。”

QuantumScape声称自己解决了枝晶问题,而所有这些断言都与单层电池有关,如果想让电池商用,层数要增加到100层。许多专家都说,增加层数是很难的事。

我们应该听听QuantumScape的竞争对手是怎么说的,比如Solid Power,它也是美国公司,正在研究固态电池。Solid Power CTO Josh Buettner-Garrett没有明确提到QuantumScape,他认为,制造单层电池是一回事,制造多层电池并保持同样的性能又是另一回事;在汽车产业如何以合适的成本大规模生产多层电池是关键,而QuantumScape并没有明确解释。

阿贡国家实验室能源存储协作中心主管Venkat Srinivasan认为,如何增加层数?如何规模化?这些难题为其它电极(比如硅)留下了机会,它们也可以抢先商业化,QuantumScape的创新的确是一大进步,但从技术角度看是不是真的大飞跃?我们无法确定。Venkat Srinivasan说:“再过15年,当我们回看,可能会发现硅才是改变电动汽车版图、让人类全面走向电气化的关键。”

针对这种怀疑,我给Singh发了封邮件。我在邮件中问:“锂金属内为什么会出现枝晶?你们声称已经找到了明确原因。我可不可以这样理解,你们并不是发明一套新理论,而是找到了实际原因,这样理解正确吗?第二点,你们的解决方案可以阻止枝晶形成,是这样吗?”

Singh在回复中表示:“出于谦虚,我们不会说我们找到了枝晶形成的决定性原因。打个比方,比如牛顿引力定律,我们用它可以预测炮弹路径、月食时间,但我们不会说牛顿定律是引力的决定性理论。最终爱因斯坦提出广义相对论,它更好一些。也许还有比广义相对论更好的理论,它可以告诉我们黑洞是怎样的。”

“我们找到一种理论,它可以解释枝晶,这种理论和传统智慧不太一样,我们可以验证这一理论,然后开发出固态分离器,它可以在高密度电流下运行,而且循环次数可以超过1000次,这样说可能更好。在实际汽车中,上面的参数相当重要,从这个角度看,我们的研究很有趣,很关键。”

当我们与石油商交流时,会有一种感觉:石油是活的,它在全球流动,让某些国家变得更富有,让地球变得更温暖。与Singh交流,你也会有一种相似的感受:锂也是活的。它现在没有爆发只是因为受到一些技术上的压制。Singh说:“开发Singh金属电池让我们谦虚,因为你不确定难题否能突破。”

译者:小兵手

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