大众投资的固态电池，靠谱吗？

固态电池似乎离我们越来越近，新闻层出不穷。大众包括《十年磨一剑》2014年持有quantum scape 5%的股份。12月8日，由大众汽车和比尔盖茨投资的初创公司QuantumScape上市，发布了经过十年研究的最新固态电池的性能数据。据说这种固态电池也可能是第一种商业上可行的固态电池。股市闻讯，QuantumScape股价大涨。这种固态电池可以将电动汽车的续航里程提高80%，15分钟即可充满80%的电量，将于2024年投产。其突破的关键是用柔性陶瓷电解质代替液体电解质。据悉，即使在零下30摄氏度的极低温度下，电池性能也不会受到影响。那听起来令人兴奋。然而，最大的疑问是电池的许多细节没有公布。正如CICC的研究报告所说，现在展示的只是单张层压板，而不是电芯，因此无法确定电芯的功率，也无法计算其充电设施的配套情况。反过来，QuantumScape是不是只是“放一颗PPT卫星”？QS在隐藏什么？QuantumScape在这次简报会上谈到了许多令人兴奋的技术。比如这种固态电池与传统的锂离子电池相比，充电800次后仍能保持80%以上的容量，技术有了显著进步。此外，这种电池具有阻燃性，其体积能量密度超过1000Wh/L，几乎是顶级商用锂电池密度的两倍，是特斯拉Model 3目前使用的电池的四倍。听起来棒极了。就连该公司联合创始人、锂离子电池发明者、2019年诺贝尔化学奖得主之一斯坦·惠廷翰(Stan Whittingham)也表示，“制造一个固态电池最困难的部分是同时满足高能量密度、快速充电、长循环寿命和宽温度范围的要求。数据显示QuantumScape的固态电池完全符合所有这些要求，这是以前从未报道过的。如果该公司能够将这项技术投入量产，可能会改变整个行业。”然而，QuantumScape也有许多隐藏的东西。比如，根据CICC的研究报告，第一，QuantumScape没有给出具体的技术路线和详细的电池参数；其次，显示的电池样品只是一个单一的层压板，而不是真正的电池单元。换句话说，目前只是实验室数据。材料方面，根据QuantumScape专利的布局和宣传，QuantumScape的固态电池路线应该是氧化物系类石榴石固态电池，主流电解质体系是Li3La3Zr2O12(LLZO)，即锆酸镧锂。而且CICC从谷歌专利中找到的大量与QuantumScape相关的专利体系都是锆酸镧锂氧化物。这也是目前固态电池氧化物路线中最有可能量产的材料，也是2007年后新发现的对锂金属最稳定的氧化物电解质体系的一个分支。实际上，随着中国陶瓷清洗的发展，两条小型生产线已经投入批量生产。所以大众的固态电池走氧化物体系下的柔性陶瓷电解质路线也就不足为奇了。然而，锆酸镧锂体系既有优点也有缺点。锆酸镧锂(LLZO)体系的特点是:第一，目前所有固态电池电解质体系中对锂金属适应性最好的电解质，比较有可能直接跳过硅阳极，实现锂金属阳极的应用。第二，LLZO的电化学窗口很宽，可以承受5V以上的电压。但是，LLZO系统也有很多缺点。比如这种石榴石复杂体系的电导率只有10-4，比液体电解质低两个数量级。其次，LLZO与正极的界面性能较差。这是因为，一方面石榴石结构使得与锂金属的接触面不平整，另一方面与正极的接触相对较差。因此，目前国内探索的解决方案包括复合阴极、界面处理工艺优化、引入界面层和电解质复合。比如清代陶器的发展，走的就是复合阳极的道路。此外，制备过程复杂，制造设备来源不同。换句话说，现有的锂电池生产体系不能通用，必须重建。而且除了电池本身，配套设施的建设也很重要。2017年，Fisco曾表示“充电一分钟可以跑800公里”。但根据公社数据组吕艺兴的计算，要达到这个效果，充电桩的铝导体直径要达到60CM，比脸盆还要粗一根线。可能吗？以现在的技术来说，“这简直是只有闪电才能达到的效果！“按照这个模型(目前一般电压350V下)，记者计算出固态电池要在15分钟内充满80%，充电桩的铝线直径要达到15CM以上，即使换成导电率两倍的铜线，直径也要7.5CM以上，目前来看还是很难实现(计算方法可以加微信讨论)。最近理想的李想说，“只有在第二代电动车技术成熟的基础上，李才会做纯电动。“第二代技术的一个标志是800V电压平台下的400kW快速充电。但现实中，5~10年可能很难做到400kW的充电功率。我们知道特斯拉希望的350kW超级充电桩的落地还不确定。所以综合各种情况考虑，固态电池真正能实现量产商用，业界给出的时间点是2030年以后。所以业内也有质疑。QuantumScape表示，固态电池计划在2024~2025年量产。这种可能性有多大？整体来看，以锆酸镧锂为电解液的电池单体在理论性能上有一定的实用性，但距离量产还有一段距离。所以这个固态电池似乎是QuantumScape和大众对投资压力的回应，放了一个PPT“大卫星”给投资者信心。从投资方面可以理解，经过十年，取得了一定的成绩。况且股市是在未来。但记者还是咨询了业内相关人士，他们表示含稀土成分的锆酸镧锂“这条路线应该很难。“有两个元素内容太少。”硫化物路线是可行的。这也是丰田在开发固态电池之初所考虑的。所以氧化物路线能走多远，我们还不能下结论。固态电池的路径我们再来说说固态电池。原理很简单，就是用固体或半固体电解质来代替现有锂电池使用的液体电解质。从技术上讲，固体电解质的厚度可以很薄，也就是几十个微米，减少了体积和重量。高能量密度和高安全性的固态电池是电池技术的终极目标。固态电池的起源可以追溯到1972年。当年，Srosati B .首次报道了以LiI为电解液的固态锂离子一次电池。11年后的1983年，日本东芝研发出实用的Li/TiS2薄膜全固态锂电池。此后，固态电池的研究一直在进行。值得注意的是，目前大多数固体电解质的电导率比电解质小10倍以上，是一个数量级。所以快充性能有很大问题，很怕大电流。另外，固态电池要想超越目前电池体系的质量和能量密度，只需要实现锂金属负极的应用，难度相当大。因此，固态电池的核心技术突破主要在高离子电导率的固体电解质材料技术和低阻抗固-固界面的制造技术。虽然固态电池具有安全性能好、能量密度高、循环寿命长等优点，但在汽车行业实现量产应用尚早。比如目前固态电池的电池性能仅略好于液态电池(单体能量密度400Wh/kg)，循环寿命不高于500次。这次QuantumScape宣布充电次数可以达到800次。虽然这个数据很不错，但应该还是只有实验数据。说完国外，说说中国。陈立泉院士是中国第一个关注固态电池的人。据他交代，在他的呼吁下，1987年，中国科技部将固态锂电池列为“863”计划的第一个重大课题。但按照当时的技术水平，这个任务显然是“不可能完成的任务”。直到2012年，中国科技部再次将固态储能锂电池列入十二五“863”计划……计划。2018年，中国科技部还将把动力和储能用固态锂电池列入国家重点研发计划。2019年12月，工信部发布《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》(征求意见稿)。在“实施电池技术突破行动”中，加快固态动力电池技术研发和产业化被列为“新能源汽车关键技术研究项目”。从这几年的历程也可以看出固态电池的技术有多难。据智研咨询2019年发布的《2019-2025年中国全固态电池市场专题调研及发展趋势分析报告》显示，从全球范围来看，目前日本和韩国在固态电池研发领域的专利技术较为先进。从1990年到2018年，固态电池领域的专利公开数量为1926件，其中全固态电池领域的专利数量达到871件，约占45%。从地域上看，日本拥有916项固态电池专利，占比接近一半，大幅领先。中国有362项专利。在全固态电池方面，日本拥有657项专利，占比75%，领先优势更加明显。在这方面，中国和韩国分别拥有128项和37项专利。美国在全固态电池领域只有29项专利。所以中国企业虽然声量大，但真正的专利并不多。中国企业一般很难持续投入固态电池的研究，有的更喜欢先“吹牛”。很多爆出来的结果都是讲给投资人听的，真正能落地的很少。这才是我们更需要理性看待的。日本硫化物路线我们来说另一条主流路线。国产陶器和QuantumScape走氧化物路线，而日本？日本人和韩国人，走硫化物路线。现在说的是固态电池，其固体电解质大致可以分为三类:无机电解质、固体聚合物电解质和复合电解质。目前业内主流有两种，硫化物和氧化物，此外还有固体聚合物和薄膜。虽然氧化物具有高安全性和易于生产的优点，但室温下离子电导率的提高仍然是一个世纪性的问题。高分子路线，虽然率先实现小规模量产，技术成熟，但类似于“一个需要长期服用兴奋剂的运动员”“出道就是巅峰”，没有后续潜力，属于边缘化非主流。硫化物路线是三条路线中技术难度最大的，但潜力巨大，受到日韩企业的追捧。但是，只有日韩公司能有耐心，好好学习。丰田是硫化物技术的坚定支持者。通过多年的默默研究，丰田取得了一定的成果。丰田原计划在2020年东京奥运会上推出搭载硫化物固态电池的纯电动汽车，并计划在2022年实现量产。但受疫情影响，丰田推迟了首次亮相计划。然而，丰田汽车动力总成公司执行副总裁兼电池产业总经理凯塔(Keiji Kumar)曾表示，丰田计划在2025年前量产固态电池，其能量密度是锂电池的两倍以上，充电效率更高。从零充满电只需要15分钟。丰田在固体电解质材料方面的技术基础来自于2011年东京工业大学剑叶教授发明的硫化物固体电解质，其室温下的离子电导率>:10-2S/cm(超越传统的有机电解质)。经过十多年的研究，丰田不仅获得了固体电解质材料和固体电池制造技术的专利，还开发了一套阴极材料和硫化物固体电解质材料的技术路线和回收程序。这也是大众汽车也急于大力投资固态电池的原因。对手太强了。此外，三星和宝马也在开发硫化物固态电池的技术。今年3月初，三星高级研究院(SAIT)和三星日本研究中心(SRJ)声称……他们开发了一种高性能的全固态电池。这种电池的循环寿命超过1000次，一次充电可以让电动汽车行驶800公里。去年三星也参与了固电的投资。另一方面，宝马在2017年开始开发固态电池。硫化路线能否尽快出成果，也考验着这些企业的耐力和实力。但就丰田固态电池缓慢的制造工艺而言，我们知道距离量产还有很长的路要走。丰田的固态电池必须在超干无水环境下生产。它是在一个叫“手套箱”的透明盒子里制造的。工人通过紧紧嵌在箱子里的橡胶手套把手伸进箱子里。显然，这还处于实验室阶段，离量产还很远。凯塔敬二还谨慎地表示，丰田仍有望在2025年实现“限量”生产。但由于生产规模小，初期成本会很高。所以在生产的最初几年，这种固态电池的产量会很低。而且丰田的目标是这种电池在长时间使用(30年)后仍能保持90%的性能，这就使得这种电池的研发更加复杂。综合来看，目前各大车企都在加紧固态电池的研发和产业布局，而三星SDI、SKI、LG Chem、麻省固能SES、QuantumScape等也在固态电池领域不断取得新的突破，不时会有新的成果。固态电池似乎离我们越来越近，新闻层出不穷。大众包括《十年磨一剑》2014年持有quantum scape 5%的股份。12月8日，由大众汽车和比尔盖茨投资的初创公司QuantumScape上市，发布了经过十年研究的最新固态电池的性能数据。据说这种固态电池也可能是第一种商业上可行的固态电池。股市闻讯，QuantumScape股价大涨。这种固态电池可以将电动汽车的续航里程提高80%，15分钟即可充满80%的电量，将于2024年投产。其突破的关键是用柔性陶瓷电解质代替液体电解质。据悉，即使在零下30摄氏度的极低温度下，电池性能也不会受到影响。那听起来令人兴奋。然而，最大的疑问是电池的许多细节没有公布。正如CICC的研究报告所说，现在展示的只是单张层压板，而不是电芯，因此无法确定电芯的功率，也无法计算其充电设施的配套情况。反过来，QuantumScape是不是只是“放一颗PPT卫星”？QS在隐藏什么？QuantumScape在这次简报会上谈到了许多令人兴奋的技术。比如这种固态电池与传统的锂离子电池相比，充电800次后仍能保持80%以上的容量，技术有了显著进步。此外，这种电池具有阻燃性，其体积能量密度超过1000Wh/L，几乎是顶级商用锂电池密度的两倍，是特斯拉Model 3目前使用的电池的四倍。听起来棒极了。就连该公司联合创始人、锂离子电池发明者、2019年诺贝尔化学奖得主之一斯坦·惠廷翰(Stan Whittingham)也表示，“制造一个固态电池最困难的部分是同时满足高能量密度、快速充电、长循环寿命和宽温度范围的要求。数据显示QuantumScape的固态电池完全符合所有这些要求，这是以前从未报道过的。如果该公司能够将这项技术投入量产，可能会改变整个行业。”然而，QuantumScape也有许多隐藏的东西。比如，根据CICC的研究报告，第一，QuantumScape没有给出具体的技术路线和详细的电池参数；其次，显示的电池样品只是一个单一的层压板，而不是真正的电池单元。换句话说，目前只是实验室数据。材料方面，根据QuantumScape专利的布局和宣传，QuantumScape的固态电池路线应该是氧化物系类石榴石固态电池，主流电解质体系是Li3La3Zr2O12(LLZO)，即锆酸镧锂。而且CICC从谷歌专利中找到的大量与QuantumScape相关的专利体系，都是锆酸镧锂氧化物。这也是目前固态电池氧化物路线中最有可能量产的材料，也是2007年后新发现的对锂金属最稳定的氧化物电解质体系的一个分支。实际上，随着中国陶瓷清洗的发展，两条小型生产线已经投入批量生产。所以大众的固态电池走氧化物体系下的柔性陶瓷电解质路线也就不足为奇了。然而，锆酸镧锂体系既有优点也有缺点。锆酸镧锂(LLZO)体系的特点是:第一，目前所有固态电池电解质体系中对锂金属适应性最好的电解质，比较有可能直接跳过硅阳极，实现锂金属阳极的应用。第二，LLZO的电化学窗口很宽，可以承受5V以上的电压。但是，LLZO系统也有很多缺点。比如这种石榴石复杂体系的电导率只有10-4，比液体电解质低两个数量级。其次，LLZO与正极的界面性能较差。这是因为，一方面石榴石结构使得与锂金属的接触面不平整，另一方面与正极的接触相对较差。因此，目前国内探索的解决方案包括复合阴极、界面处理工艺优化、引入界面层和电解质复合。比如清代陶器的发展，走的就是复合阳极的道路。此外，制备过程复杂，制造设备来源不同。换句话说，现有的锂电池生产体系不能通用，必须重建。而且除了电池本身，配套设施的建设也很重要。2017年，Fisco曾表示“充电一分钟可以跑800公里”。但根据公社数据组吕艺兴的计算，要达到这个效果，充电桩的铝导体直径要达到60CM，比脸盆还要粗一根线。可能吗？以现在的技术来说，“这简直是只有闪电才能达到的效果！“按照这个模型(目前一般电压350V下)，记者计算出固态电池要在15分钟内充满80%，充电桩的铝线直径要达到15CM以上，即使换成导电率两倍的铜线，直径也要7.5CM以上，目前来看还是很难实现(计算方法可以加微信讨论)。最近理想的李想说，“只有在第二代电动车技术成熟的基础上，李才会做纯电动。“第二代技术的一个标志是800V电压平台下的400kW快速充电。但现实中，5~10年可能很难做到400kW的充电功率。我们知道特斯拉希望的350kW超级充电桩的落地还不确定。所以综合各种情况考虑，固态电池真正能实现量产商用，业界给出的时间点是2030年以后。所以业内也有质疑。QuantumScape表示，固态电池计划在2024~2025年量产。这种可能性有多大？整体来看，以锆酸镧锂为电解液的电池单体在理论性能上有一定的实用性，但距离量产还有一段距离。所以这个固态电池似乎是QuantumScape和大众对投资压力的回应，放了一个PPT“大卫星”给投资者信心。从投资方面可以理解，经过十年，取得了一定的成绩。况且股市是在未来。但记者还是咨询了业内相关人士，他们表示含稀土成分的锆酸镧锂“这条路线应该很难。“有两个元素内容太少。”硫化物路线是可行的。这也是丰田在开发固态电池之初所考虑的。所以氧化物路线能走多远，我们还不能下结论。固态电池的路径我们再来说说固态电池。原理很简单，就是用固体或半固体电解质来代替现有锂电池使用的液体电解质。从技术上讲，固体电解质的厚度可以很薄，也就是几十个微米，减少了体积和重量。高能量密度和高安全性的固态电池是电池技术的终极目标。固态电池的起源可以追溯到1972年。当年，Srosati B .首次报道了以LiI为电解液的固态锂离子一次电池。11年后的1983年，日本东芝研发出实用的Li/TiS2薄膜全固态锂电池。此后，固态电池的研究一直在进行。值得注意的是，目前大多数固体电解质的电导率比电解质小10倍以上，是一个数量级。所以快充性能有很大问题，很怕大电流。另外，固态电池要想超越目前电池体系的质量和能量密度，只需要实现锂金属负极的应用，难度相当大。因此，固态电池的核心技术突破主要在高离子电导率的固体电解质材料技术和低阻抗固-固界面的制造技术。虽然固态电池具有安全性能好、能量密度高、循环寿命长等优点，但在汽车行业实现量产应用尚早。比如目前固态电池的电池性能仅略好于液态电池(单体能量密度400Wh/kg)，循环寿命不高于500次。这次QuantumScape宣布充电次数可以达到800次。虽然这个数据很不错，但应该还是只有实验数据。说完国外，说说中国。陈立泉院士是中国第一个关注固态电池的人。据他交代，在他的呼吁下，1987年，中国科技部将固态锂电池列为“863”计划的第一个重大课题。但按照当时的技术水平，这个任务显然是“不可能完成的任务”。直到2012年，中国科技部再次将固态储能锂电池列入十二五“863”计划……计划。2018年，中国科技部还将把动力和储能用固态锂电池列入国家重点研发计划。2019年12月，工信部发布《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》(征求意见稿)。在“实施电池技术突破行动”中，加快固态动力电池技术研发和产业化被列为“新能源汽车关键技术研究项目”。从这几年的历程也可以看出固态电池的技术有多难。据智研咨询2019年发布的《2019-2025年中国全固态电池市场专题调研及发展趋势分析报告》显示，从全球范围来看，目前日本和韩国在固态电池研发领域的专利技术较为先进。从1990年到2018年，固态电池领域的专利公开数量为1926件，其中全固态电池领域的专利数量达到871件，约占45%。从地域上看，日本拥有916项固态电池专利，占比接近一半，大幅领先。中国有362项专利。在全固态电池方面，日本拥有657项专利，占比75%，领先优势更加明显。在这方面，中国和韩国分别拥有128项和37项专利。美国在全固态电池领域只有29项专利。所以中国企业虽然声量大，但真正的专利并不多。中国企业一般很难持续投入固态电池的研究，有的更喜欢先“吹牛”。很多爆出来的结果都是讲给投资人听的，真正能落地的很少。这才是我们更需要理性看待的。日本硫化物路线我们来说另一条主流路线。国产陶器和QuantumScape走氧化物路线，而日本？日本人和韩国人，走硫化物路线。现在说的是固态电池，其固体电解质大致可以分为三类:无机电解质、固体聚合物电解质和复合电解质。目前业内主流有两种，硫化物和氧化物，此外还有固体聚合物和薄膜。虽然氧化物具有高安全性和易于生产的优点，但室温下离子电导率的提高仍然是一个世纪性的问题。高分子路线，虽然率先实现小规模量产，技术成熟，但类似于“一个需要长期服用兴奋剂的运动员”“出道就是巅峰”，没有后续潜力，属于边缘化非主流。硫化物路线是三条路线中技术难度最大的，但潜力巨大，受到日韩企业的追捧。但是，只有日韩公司能有耐心，好好学习。丰田是硫化物技术的坚定支持者。通过多年的默默研究，丰田取得了一定的成果。丰田原计划在2020年东京奥运会上推出搭载硫化物固态电池的纯电动汽车，并计划在2022年实现量产。但受疫情影响，丰田推迟了首次亮相计划。然而，丰田汽车动力总成公司执行副总裁兼电池产业总经理凯塔(Keiji Kumar)曾表示，丰田计划在2025年前量产固态电池，其能量密度是锂电池的两倍以上，充电效率更高。从零充满电只需要15分钟。丰田在固体电解质材料方面的技术基础来自于2011年东京工业大学剑叶教授发明的硫化物固体电解质，其室温下的离子电导率>:10-2S/cm(超越传统的有机电解质)。经过十多年的研究，丰田不仅获得了固体电解质材料和固体电池制造技术的专利，还开发了一套阴极材料和硫化物固体电解质材料的技术路线和回收程序。这也是大众汽车也急于大力投资固态电池的原因。对手太强了。此外，三星和宝马也在开发硫化物固态电池的技术。今年3月初，三星高级研究院(SAIT)和三星日本研究中心(SRJ)声称……他们开发了一种高性能的全固态电池。这种电池的循环寿命超过1000次，一次充电可以让电动汽车行驶800公里。去年三星也参与了固电的投资。另一方面，宝马在2017年开始开发固态电池。硫化路线能否尽快出成果，也考验着这些企业的耐力和实力。但就丰田固态电池缓慢的制造工艺而言，我们知道距离量产还有很长的路要走。丰田的固态电池必须在超干无水环境下生产。它是在一个叫“手套箱”的透明盒子里制造的。工人通过紧紧嵌在箱子里的橡胶手套把手伸进箱子里。显然，这还处于实验室阶段，离量产还很远。凯塔敬二还谨慎地表示，丰田仍有望在2025年实现“限量”生产。但由于生产规模小，初期成本会很高。所以在生产的最初几年，这种固态电池的产量会很低。而且丰田的目标是这种电池在长时间使用(30年)后仍能保持90%的性能，这就使得这种电池的研发更加复杂。综合来看，目前各大车企都在加紧固态电池的研发和产业布局，而三星SDI、SKI、LG Chem、麻省固能SES、QuantumScape等也在固态电池领域不断取得新的突破，不时会有新的成果。包括汇能科技、赣锋锂业、陶青能源、万向123、卫兰新能源等国内企业也在建设固态电池生产线，部分甚至已经投产。2025年后下一代动力电池的卡战早已悄然开始。但固态电池的实际应用前景似乎还在2025~2030年。任何过于乐观的估计和预测，在现实面前都需要冷静。据CICC分析，目前的锂电池系统经过迭代可以达到800~1000km的续航，可以满足需求。另外，在供应链和规模效应的配合下，2025年可以实现燃油车和纯电车的平价。一方面，固态电池对1000~1400km的高续航能力影响有限，不如现实中充电网络的便利性重要；另一方面，固态电池的高成本也导致5~10年的性价比不高。固态电池的未来前景非常诱人。根据中银国际的测算，2020年、2025年和2030年全球固态锂电池需求预计将分别达到1.7GWh、44.2GWh和494.9GWh，2030年全球固态电池市场空间预计将达到1500亿元以上。但记者认为，10年之内，固态电池不会占优势。包括汇能科技、赣锋锂业、陶青能源、万向123、卫兰新能源等国内企业也在建设固态电池生产线，部分甚至已经投产。2025年后下一代动力电池的卡战早已悄然开始。但固态电池的实际应用前景似乎还在2025~2030年。任何过于乐观的估计和预测，在现实面前都需要冷静。据CICC分析，目前的锂电池系统经过迭代可以达到800~1000km的续航，可以满足需求。另外，在供应链和规模效应的配合下，2025年可以实现燃油车和纯电车的平价。一方面，固态电池对1000~1400km的高续航能力影响有限，不如现实中充电网络的便利性重要；另一方面，固态电池的高成本也导致5~10年的性价比不高。固态电池的未来前景非常诱人。根据中银国际的测算，2020年、2025年和2030年全球固态锂电池需求预计将分别达到1.7GWh、44.2GWh和494.9GWh，2030年全球固态电池市场空间预计将达到1500亿元以上。但记者认为，10年之内，固态电池不会占优势。

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