QuantumScape是否可以解决40年前的电池问题?
2074字
2021-03-31 15:29
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火星译客

如果电动汽车要完全取代世界道路上的汽油消耗大户,那么他们将需要一种全新的电池。 尽管在过去的十年中锂离子电池的能量密度和使用寿命有了稳步的提高,但新电动汽车中的电池在几乎所有性能指标上仍落后于内燃机。 大多数电动车的续航里程都小于300英里,充电需要花费一个多小时才能完成,电池在十年内损失了近三分之一的容量,并且由于其易燃材料而构成严重的安全隐患。

解决这些问题的方法已有数十年的历史:它被称为固态电池,它基于一个看似简单的想法。 它代替了传统的液体电解质(在电极之间传递锂离子的物质),而是使用了固态电解质。 同样,电池的负极端子(称为负极)由纯锂金属制成。 这种组合将通过屋顶传递其能量密度,实现超快速充电,并消除电池着火的风险。 但是在过去的40年中,没有人能够制造出能够兑现这一承诺的固态电池-直到今年初,一家秘密的初创公司QuantumScape声称已经解决了这一问题。 现在,它有数据可以证明这一点。

星期二,QuantumScape的联合创始人兼首席执行官Jagdeep Singh首次公开披露了该公司固态电池的测试结果。 辛格说,电池解决了过去困扰固态电池的所有核心挑战,例如使用寿命短,充电速度慢。 根据QuantumScape的数据,其电池可在15分钟内充电至80%的容量,在800个充电周期后仍可保留80%的容量,它不易燃,并且其体积能量密度为每瓦1,000瓦时以上 每升电池的能量密度是每升1升,几乎是顶级商用锂离子电池能量密度的两倍。

“我们认为我们是第一个解决固态问题的人,”辛格在宣布这一消息之前告诉《连线》杂志。 “没有其他固态系统可以接近这个。”

QuantumScape的电池约为扑克牌的大小和厚度。 它的阴极或正极端子由镍锰钴氧化物或NMC制成,NMC是当今电动汽车电池中的常见化学物质。 它的负极或阳极是由纯锂金属制成的-但更确切地说,它根本没有阳极,因为它是不制造阳极的。 当电池在使用过程中放电时,所有锂都从阳极流向阴极。 阳极侧留下的空位(比人的头发还细)像手风琴一样被暂时压缩。 当电池充电后,该过程将逆转,并且锂离子再次溢出到阳极空间中。

卡内基梅隆大学从事锂金属电池的机械工程师Venkat Viswanathan说:“这种无阳极的设计很重要,因为它可能是当今使用现有制造设备制造锂金属电池的唯一方法。” 到QuantumScape。 “无阳极对社区来说是一个巨大的挑战。”

但是,QuantumScape固态突破的关键是位于阴极和阳极之间的柔性陶瓷隔板。 这是使“固体”处于固态的材料。 就像传统电池中位于电极之间的液体电解质一样,其主要功能是在电池充电和放电时将锂离子从一个端子传送到另一端子。 不同之处在于,固体分隔物还充当阻挡锂树枝状结晶的屏障,锂树枝状结晶是在充电周期内在锂金属阳极上形成的金属卷须,不会在电极之间弯曲并引起短路。

由Quantumscape提供

Argonne能源存储科学合作中心主任VenkatSrinivasan在芝加哥郊外的国家实验室花了近十年时间研究固态电池。他说,寻找一种能让锂离子在电极间自由流动、同时阻止树突的分离材料,一直是最大的挑战。通常,研究人员要么使用塑料聚合物,要么使用硬陶瓷。虽然聚合物是液体电解质电池中的隔膜材料,但它们不足以阻挡固态电池,因为它们不会阻挡树突。大多数用于实验固态电池的陶瓷材料都太脆,不能持续几十次充电。

“这些树突就像一棵树的根,”没有参与QuantumScape工作的Srinivasan说。 “我们正在尝试解决的问题是,您如何机械地阻止该根系统生长出坚实的东西? 您不能随便放任何东西,因为您必须来回运送离子。 如果您不这样做,那就没有电池了。”

锂离子电池是一个复杂的系统,多年来之所以能取得令人称奇的改进,是因为调整一个电池的一部分经常会产生级联效应,从而以无法预料的方式改变其性能。 为了制造出更好的电池,研究人员必须系统地研究不同的材料,直到找到有用的东西为止,这可能是一项非常耗时的任务。 辛格说,QuantumScape公司花了10年的时间和3亿美元的研发费用,才使该公司选择了符合要求的固态分离器。 他不会透露它的成分-那是公司的秘密调味料-但是他说这种材料便宜而且容易获得。 辛格说:“我们没有神圣的启示说,‘这种材料会起作用,要制造出来。’ “我们不得不经历很多死胡同。 但是自然确实提供了满足要求的材料,幸运的是,通过我们的系统搜索过程,我们能够找到它。”

辛格说,Quantumscape的电池是性能上的一种渐进式变化,它将把电动汽车推向主流。他不是唯一这么认为的人。该公司的投资者包括比尔·盖茨(Bill Gates)和维诺德·科斯拉(Vinod Khosla),还有几位电池大亨,比如特斯拉(Tesla)的联合创始人J·B·斯特劳贝尔(J.B.大众(Volkswagen)是该公司最大的支持者之一,这家全球最大的汽车制造商已经向Quantumscape投入了3亿多美元,并计划在2025年开始在自己的一些电动汽车中使用固态电池。

当然,QuantumScape和大众汽车并不是固态电池游戏中唯一的公司。 丰田还开发了一种固态电池,该公司官员计划在今年的东京奥运会上推出这种固态电池,然后由于大流行而推迟。 与大众一样,丰田计划在2025年之前将其固态电池投入市场。但是,今年早些时候,丰田动力总成部门副总裁Keiji Kaita告诉行业出版物《汽车新闻》,该公司仍然需要改善电池的有限寿命。 跨度。 丰田代表未回复WIRED的置评请求。

一家有6年历史的初创公司叫做Solid Power,它还制造了一个运转良好的固态电池,并开始在科罗拉多州的一家试点工厂生产具有10个堆叠层的原型电池。 像QuantumScape一样,这些电池具有锂金属阳极和陶瓷固态电解质。 Solid Power的电解质是基于硫化物的,这是固态电池所需要的化学物质,因为它的导电性高且与现有制造工艺兼容。 该公司与包括福特,宝马和现代在内的许多汽车制造商建立了合作伙伴关系,尽管由于高昂的汽车鉴定程序,其高管们并不希望在2026年之前看到他们的汽车。 Solid Power尚未发布其单元的数据,但预计该公司将发布一个更大的单元,并在本周四首次发布其性能数据。

“由于固态电池在使汽车电气化方面具有巨大潜力,因此固态电池的竞争格局变得越来越拥挤,” Solid Power的首席执行官道格·坎贝尔(Doug Campbell)说。 “这最终导致电动汽车具有更大的续航里程,更高的可靠性和更低的成本。”

QuantumScape的性能数据令人印象深刻,但需要注意的是。 从技术上讲,所有测试数据都是在单个电池中生成的,从技术上讲,这些电池不是完整的电池。 QuantumScape推出的薄单元注定要与约100个其他单元堆叠在一起,形成一个完整的单元,其大小约为一副纸牌。 为电动汽车供电将需要数百个堆叠电池,但到目前为止,该公司尚未测试完全堆叠的电池。

Srinivasan说,将电池从单个电池的子单元扩展到完整的电池,最终扩展到完整的电池组会产生很多问题。 他说,小批量生产电池时,消除在生产过程中出现的缺陷会更容易。 但是,一旦开始大规模生产电池,就很难控制缺陷,因为缺陷会很快削弱电池的性能。 Srinivasan表示:“即使材料在小规模上看起来确实很有希望,但在扩大规模时,这些缺陷可能会成为一个更大的问题。” “实际操作与实验室规模的操作有很大不同。”

密歇根大学专注于能量存储的机械工程师杰夫·萨卡本(Jeff Sakamoto)表示同意。他说,关于锂金属固态电池的基本机械性能仍然存在大量知识空白,这在技术商业化时可能会造成问题。他指出,世界上第一架商用喷气式客机,命运不佳的De Havilland Comet,是在完全了解其材料特性之前启动一项技术的后果的一个例子。彗星升空后不久,它经历了几次灾难性的空中破裂,因为工程师们还不完全了解其船体中所用金属的降解过程。尽管固态电池的投入要比商用喷气机低一些(毕竟,电池的设计是超安全的),但进入市场并遇到意想不到的性能问题的电池可能会减慢运输的电气化速度。

Sakamoto说:“令我惊讶的是,人们对锂金属的机械性能知之甚少,而且锂的物理特性如何影响固态电池的可行性。” “我不知道这些知识差距将在多大程度上影响锂金属固态电池的广泛采用。 但是,我们对基本行为的了解越多,向大规模采用的过渡就越好。”

对于Singh而言,QuantumScape在其电池脱离实验室进入汽车之前必须应对的挑战并没有感到困惑。 就他而言,该公司解决了阻碍固态电池商业化的基础科学难题。 辛格说:“我不想琐碎剩下的工作。” “但这不是一个问题是否有效的问题。 这是工程问题。”

今年早些时候,QuantumScape通过一家特殊的收购公司上市,并在其已经相当大的资产负债表中增加了约7亿美元。 辛格说,该公司现在拥有超过10亿美元的资金,足以将其投入生产。 该公司似乎不可能倒闭,但这也是投资者对A123 Systems和Envia Systems的看法,这两家公司从传统汽车制造商那里筹集了巨额资金,并承诺改变游戏规则的EV电池–直到崩溃时,它才崩溃。 细胞的性能与预期不符。 QuantumScape很有可能成为首家提供商用固态电池的初创公司,但公司仍有很长的路要走。

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