固态电池三大技术路线争霸

由于固态电池的故事改变了人类储能方式，谁攻克了它，就能掌握新能源动力的核心。日韩倾举国之力推进硫化物材料技术路线，欧洲走聚合物，而中国主要走氧化物路线，美国则是以创业公司为主，同时推进多条路线。

2022-06-27 14:04 · 微信公众号：经纬创投　　　

在固态电池明星公司QuantumScape的万圣节派对上，连续很多年都有一位工程师会扮成“锂枝晶”形状的怪物，就像一个白色的人形树枝，专门去吓研发部门。

锂枝晶之所以会让研发部门感到毛骨悚然，就是因为它不仅是造成液态锂电池短路的元凶，也是锂金属阳极固态电池的克星。锂枝晶会穿透电池的隔膜，造成正负极短路，导致起火燃烧甚至爆炸。

锂金属阳极是固态电池神话的重要环节，也是QuantumScape故事的核心组成部分。我们都知道，固态电池*的不同在于没有液态电解质，但真正的性能提升，来自于把负极材料从现在用的碳基，跨过硅基，直接过渡到*方案——锂金属，它能极大提升电池的能量密度。

自20世纪70年代以来，人们就知道锂金属负极能极大提高电池的能量密度。但在液态电池时代，由于电池充电时，这种树枝状物很容易刺透隔膜造成短路，或者导致电池内部电阻快速增加，所以锂金属负极不能与传统液态电解质一起用。

因此，人们普遍认为要想用锂金属，需要一种固态电解质，它的导电性能需要与液体大致相同，但能抵制锂枝晶的形成，并且不会与金属锂发生化学反应。

几十年来，从美国橡树岭国家实验室、英国剑桥大学、中国中科院，到丰田汽车、LG化学、宁德时代、QuantumScape、Solid Power等等，无数科学家一直在寻找这种材料。

但直到今天，还没有切实可行的方案出现，量产时间表也一延再延，固态电池成为电动车产业中，与自动驾驶并驾齐驱的另一张“大饼”。今天这篇研究文章，我们就通过分析固态电池*股QuantumScape，来纵观固态电池赛道，包括固态电池的技术原理；硫化物、氧化物、聚合物三大技术路线的优劣势等等。以下，Enjoy：

“固态电池*股”

QuantumScape的大起大落

在没有得到产业端的验证前，几乎没有人能穿透迷雾看到固态电池的终局。

如果你在固态电池行业里调研一圈，往往能得到很多互相矛盾的信息，导致很难做出判断。

QuantumScape（以下简称QS）也不例外。QS的创始团队堪称明星阵容，创始人兼CEO Jagdeep Singh毕业于斯坦福大学，曾任光通信设备公司Infinera的创始人兼CEO；另两位联合创始人Fritz Prinz和Tim Holme都是斯坦福大学科学家；特斯拉前联合创始人JB Straubel与前董事Brad Buss也陆续加入了董事会。

印度人Jagdeep Singh是QuantumScape创始人兼CEO，他毕业于斯坦福大学

整个研究团队在美国先进能源计划署（ARPA-E）资助下独立创业，拥有了200多项固态电池专利及应用。就连对锂电池研究产生巨大贡献的诺贝尔化学奖得主Stan Whittingham博士，也曾夸赞说“我在其他任何地方都没见过这么好的数据，我认为这是一个真正的突破。”

QS在一级市场十分受追捧，比尔盖茨曾经毫不犹豫地注资，大众汽车也为了押注未来，多次加码，拿到董事会席位，大众在2020年还追加2亿美元投资，以帮助QS预计在2025年建立固态电池量产生产线。

2020年11月，QS终于通过SPAC成功上市，拿到了10亿多美元的资金。1个多月后，QS的股价冲到了历史高峰，市值一度逼近500亿美元。美国著名投资人索罗斯也在四季度大幅加仓，QS一度成为索罗斯的第四大重仓股。

但此时的QS，不仅没有收入、没有能够量产的固态电池，甚至连实测数据都不太全面。人们对新技术的狂热，叠加低利率的资本环境，让这股热潮冲向顶峰。

要想穿透迷雾并不容易。各大投行纷纷覆盖了这支热门股，虽然给早期科技公司估值并不容易，像投行擅长的DCF模型都几乎没用，但Morgan Stanley还是给出了40美元的预测，JPMorgan给出了35美元。

QS还在2020年12月上旬，向投资者展示了初步数据，这款可在15分钟内充到80%电量的固态锂金属电池，可提升电动车90%的续航里程，并且因为无负极的设计，可以至少降低15%的成本。

在这种狂热氛围中，QS的股价最高飙到了132美元。但随着美联储加息周期的开启，人们纷纷从高风险的公司中撤离，如今QS只有9美元。这种过山车般的遭遇，又一次印证了Gartner新兴技术成熟度曲线的前半段。

不过，虽然股价大起大落，但QS的研发依然在照常推进。QS的技术特点是：无负极设计、陶瓷材料的固态隔膜、多层堆叠。

QS的无负极设计，是其产品的一大亮点。制造时，电池里没有传统的石墨/硅的负极结构，锂只存在于正极中。当电池*次充电时，锂离开正极，通过固态电解质和板直接扩散到负极电流收集极上的薄金属层，形成一个负极。而当电池放电时，锂会扩散回正极，此时电池无负极。周而复始。

这依赖于QS专有的固态陶瓷隔膜，它代替了传统液态电解质和多孔隔膜，QS宣称花了十年才找到这种同时有良好导电性，又能防止锂枝晶产生的材料。

QS面临的挑战是如何实现高性能、极薄的隔膜，这种隔膜越薄，缺陷风险就越高（比如前文提到的锂枝晶）。但同时，隔膜又必须薄，因为这样才能达到理想的能量密度。QS设计的隔膜将在10微米左右，比人的头发还薄。

与传统的碳/硅负极相比，锂金属负极可在不增加电池组尺寸与重量的情况下，实现更高的能量密度（1000Wh/L），也意味着更长的续航里程（超过1000km），同时提供高功率（用于快速充电，QS的商业化单层电池原型能够实现15分钟快充80%，普通锂电池需要40分钟）、长循环寿命（电解液会与阳极产生副反应，导致锂的不可逆损失，降低电池使用寿命）和更高的安全性，它能解决阻碍电动车普及的很多核心问题。

由于这种固态电池的特性，QS开始在单层电池的基础上，研发多层电池。基本构建是双层电池，由双面正极构成，中间是两层电解质，叠加两层电池就可以得到4层电池，同时需要4层电解质。

QS在2020年四季报中首次公布了30x30mm的4层电池，测试结果与一层电池功能接近，保持了近800次循环后超过90%的容量。

不过，实验室数据好不代表就能商业化生产了，QS面临的*问题在于生产一致性和成本。

由于QS展示的性能测试数据，都是基于单体叠片的结果，而不是真正的电池组，当这些电池多层叠片之后，是否还能稳定工作，达到同样的性能，是非常大的未知数。

成本也是个大问题。在实验室里，可以用制造芯片的纳米级精度设备与工艺，来制备样品，但对大规模生产就过于昂贵了。但如果用更便宜的手段，还能否保持高良品率，也是未知数。

以及虽然QS对自己固态电池的材料体系讳莫如深，但外界还是质疑其电导率远不如液态电解液。

QS给出的时间表是要在2028年初步实现规模化生产，计划产能为91GWh。虽然QS实现了“1%的可能性”，但要完成后面99%的“工程学问题”，成为可靠产品，还需要大量试错和改进。

毫无疑问，固态电池仍然任重道远。

固态电池三大技术路线之争

当下的固态电池行业，在最基础的技术路线上，还没有达成共识。

主流的三种技术路径分别是：硫化物、氧化物和聚合物。

理想的状态是，这个材料需要有液体电解质的锂离子电导率；对锂金属具有化学和电化学稳定性；同时能尽可能地少产生锂枝晶；制造成本比较低，不用稀有元素。

但目前这三条路径各有优缺点，还没有能同时满足以上要求的。上文提到的QS使用的陶瓷材料，隶属于氧化物材料体系。

聚合物，最初被认为是合适的候选材料，最早实现固态电池装车测试。聚合物的优点是易加工，与现有的液态电解液的生产设备、工艺都比较兼容，它的机械性能好比较柔软。

但它的缺点也十分致命，首先是电导率太低，需要加热到60度高温才能正常工作；其次是与锂金属的稳定性较差，导致它没有办法适配于高电压的正极材料，所以限定了它的能量密度。聚合物电化学窗口窄，电位差太大时（>4V）电解质易被电解，这使得聚合物的性能上限较低。

聚合物的热稳定性普遍在200度以下，但氧化物与硫化物的热稳定性可较轻松达到400-600度以上，而聚合物在高温下也会发生起火燃烧的现象。我们对固态电池就是希望它能彻底解决安全的问题，所以聚合物虽然是三条技术路线中最早开始推进商业化应用的，但到现在也没有大面积铺开。

中科院物理研究所博士生导师、天目湖先进储能技术研究院首席科学家吴凡总结，欧洲是最早推进聚合物固态电池产业化的地区。当时法国的Bollole公司首次提出把聚合物固态电池用在电动巴士（Bluebus）、电动出租车（Bluecar）等公共交通领域，但是聚合物电池的缺点是需要在60度的高温环境下才可以正常充放电，并且聚合物本身也有化学稳定性差的问题，无法适用于高电压的正极材料，像钴酸锂、高镍三元等等，热安全性也不强。所以最终聚合物固态电池也没有形成趋势。

而欧洲也逐渐转为以投资为主，欧洲著名的整车厂多次投资国外的电池企业，像大众、宝马、奔驰都有投资相应的美国初创公司，以争取在下一代全固态电池上的话语权。

硫化物，是三种材料体系中电导率最高的，并且电化学稳定窗口较宽（5V以上），但热动力稳定性很差，如何保持高稳定性是一大难题。一种解决方法是进行外层涂覆，但这又增加了电池的电阻。另外，硫化物至今仍然无法避免锂枝晶的产生。

在生产层面，硫化物固态电池的制备工艺比较复杂，因为硫化物容易与空气中的水、氧气反应产生硫化氢剧毒气体。这个问题可以在工艺上解决，但会增加不小的成本。

综合来看，硫化物是全固态电池中潜力*的，诸多动力电池巨头（丰田、LG、松下等）选择其为主要技术路径。其中丰田最为激进，拥有全世界最多的固态电池专利。

氧化物，它具有较好的导电性和稳定性，并且离子电导率比聚合物更高，热稳定性高达1000度，同时机械稳定性和电化学稳定性也都非常好。

但氧化物的缺点是，相对于硫化物，电导率还是偏低的，这使得在性能中会遇到容量、倍率性能受限等等一系列问题。

更严重的一个问题是，氧化物非常坚硬，这就导致固态电池里“固固接触”问题非常严重。氧化物的颗粒是以点接触形式存在，如果我们在简单的室温冷压情况下，用氧化物做成的全固态电池将是一个孔隙率非常高的电池。在液态电池中，所有的孔隙都有电解液浸润，所以界面接触没有任何问题，但在固态电池中，这些孔隙就无法导锂。

这些核心问题导致氧化物体系不大可能是全固态电池。目前国内都在研发的，其实是固液混合方向，既有氧化物的固态电解质层，又有电解液浸润，这样能够填充孔隙，让它有完好的导锂通道。

中国主要押注的是氧化物路线，中国四大头部固态电池公司（北京卫蓝、江苏清陶、宁波锋锂、台湾辉能），都是以氧化物材料为基础的固液混合技术路线为主。

浙江大学材料科学与工程学院研究员范修林认为，固液混合并不是一个过渡技术，它可以算是固态电池的一种，甚至如果全固态电池走不通的话，也有可能成为一个最终的解决方案，这些现在都还很难准确预测。

固液混合在3C电池领域，其实已经实际应用了，它吸取了部分液态电池的优点，比如固液混合电解质与正负极的接触，很好地继承了液态的优点，所以发展起来也更容易一些。当然，固液混合现在面临的巨大问题是，倍率性与液态电池相比还是差一些。如果未来能把用在3C电池上的技术方案，进一步提升离子电导率，转接到动力电池上也是很有潜力的，很多人也在往这个方向研发。

目前，其实不少材料能产生不错的实验数据，但离上车应用与规模化生产都还有很远的距离。固态电池的技术路径并非*，不同特性能适应不同场景。固态电池可能也不会一上来就运用在电动车上，而是先从特种设备和消费电子开始。