固态电池格局
继 QuantumScape 的固态锂金属电池技术成果于 2020 年 12 月公布后，业界对这项新技术的潜力及其对汽车电动汽车动力系统可能产生的影响感到非常兴奋。
与任何技术一样，当人们兴奋不已时，也可能会出现很多误解。本文的目的是帮助投资者、客户和其他对该技术感兴趣的人了解固态电池技术更广泛的技术前景。
传统锂离子电池
我们首先快速回顾一下传统锂离子电池的工作原理。如下图所示，锂离子电池由三个主要层组成： 阴极或正极，由含锂混合金属氧化物材料组成；阳极或负电极，由碳或碳和硅的混合物组成；隔膜，由多孔聚合物材料制成的电绝缘体；电解质是锂离子在电池中移动的介质，通常由碳氢化合物溶剂和溶解的锂盐组成。（在本文件中，我们将使用“碳阳极”来表示纯碳阳极或混合碳硅阳极。）
电池可以被想象为将球滚上山的电化学等价物，这需要向系统做功，在此过程中增加系统中的势能，并让它自行滚回下坡，以释放存储的能量和做有用的工作。在完全放电的电池中，电池中的锂驻留在阴极，即“下坡”状态。当电池充电时，系统会做功，将锂离子从阴极驱动到阳极，在那里锂离子扩散到构成阳极的碳颗粒中。在充满电的状态下，锂离子位于阳极中，就像滚上坡的球一样，等待它们被释放并再次滚回坡下。当电池放电时，这些锂离子可以从阳极移回阴极，在此过程中，
锂金属电池
下一代电池可以包括下一代阴极材料或下一代阳极材料（或两者）。下图是宝马团队发表的一篇论文，显示了十几种不同的下一代正极材料和三种不同的负极材料。该图清楚地表明，除非使用锂金属作为阳极，否则使用下一代阴极材料获得的能量密度增益是有限的。这种限制的主要原因是更高容量的阴极需要相应更厚的阳极来容纳增加的锂量，从而掩盖了阴极改进的一些好处。
传统的锂离子电池使用托管阳极，其中碳或硅等基质材料提供了容纳锂的结构。例如，就碳而言，需要六个碳原子才能容纳一个锂原子。 然而，如果使用纯金属锂阳极，如下图所示，阳极中的所有碳都可以被消除，能量可以储存在更小的体积中，从而显着提高能量密度细胞。
自 20 世纪 70 年代中期以来，人们就知道锂金属阳极电池能量密度的潜在增加。然而，众所周知，由于电池充电时形成枝晶以及液体电解质和锂之间的化学副反应导致阻抗快速增长的双重问题，锂金属负极不适用于传统的液体电解质。金属。枝晶是锂金属的针状结构，可以在隔膜上生长并使电池短路。阻抗是指电池的内阻；这种电阻的增长会降低电池的能量容量及其在高功率下工作的能力。
因此，人们普遍认为，要制造锂金属阳极电池，需要一种固态隔膜，其导电性大致与液体相同，但能阻止枝晶形成，并且不与金属锂发生反应。40多年来，业界一直在寻找这样的材料。
固态锂金属电池的前景
事实证明， 由这种固态隔膜实现的锂金属阳极不仅可以解决能量密度问题，还可以解决传统锂离子电池的许多其他限制，因为其中许多都源于碳阳极还包括：
能量密度： 由于构成阳极的碳占据空间并具有质量，消除它会增加电池的能量密度。
功率密度/快速充电： 通过电池循环进入阳极的锂必须以由石墨的基本材料特性决定的速率扩散到碳中。任何以快于自然扩散速率将锂离子驱动到碳阳极颗粒中的尝试都可能导致锂“镀”在颗粒表面上，而不是扩散到其中，从而导致容量损失和故障。消除碳消除了这一限制，允许快速充电而不会产生任何不利影响。
循环寿命： 电池的循环寿命部分受到碳颗粒和液体电解质界面上不可逆化学副反应（即不需要的反应）的限制，该副反应在每次充放电循环中都会消耗一点锂，导致电池寿命期间容量（以及能量）的累积损失。由于阳极中没有碳，这种副反应应该被消除，从而提高电池的循环寿命。
安全： 锂离子电池中使用的聚合物隔膜和液体电解质都是碳氢化合物，并且是可燃的。生火需要三个要素：燃料、氧气源和热源。由于电解质（一种燃料）与阴极（一种氧化物）直接接触，因此引起火灾所需的唯一其他元素就是热源。许多滥用情况，从内部短路到事故，都可以提供这种热源。用固态陶瓷隔膜代替聚合物隔膜，这种陶瓷隔膜在非常高的温度下具有热稳定性并且不会燃烧（因为它已经被氧化），既可以减少电池的燃料含量，又可以在阳极和阴极之间提供热稳定的屏障。
成本： 通过用锂金属阳极替代碳阳极，可以消除与碳阳极和阳极电极制造工艺相关的材料成本。此外，传统的化成过程是电池制造过程中最昂贵的部分之一，组装好的电池必须储存数周，才能在电极颗粒上形成适当的界面，并允许识别制造缺陷，可以大大简化。
挑战
这就是固态锂金属电池的前景，也是业界对这种可能性如此兴奋的原因。然而，事实证明，制造实现这一承诺所需的固态陶瓷隔膜是一个非常困难的挑战。更具体地说，这样的分离器需要：
(a) 具有 与当今液体电解质相似或更好的锂离子电导率；
(b) 对锂金属具有化学和电化学稳定性；和
(c) 阻止 锂金属 枝晶的形成。
尽管经过数十年的努力，业界仍未找到任何能够满足这些要求的隔膜材料。
比较隔膜材料
人们已经尝试了多种类型的隔膜材料，但没有一种材料能够同时满足关键要求。这些包括：
聚合物： 锂导电聚合物，例如聚环氧乙烷，最初被认为是固态隔膜的候选者。不幸的是，它们通常缺乏上述所有三个要求。首先，它们的电导率太低，需要升高温度才能运行。其次，聚合物与锂金属接触的稳定性较差，导致阻抗在整个使用寿命期间增长，并且需要阳极使用锂箔向电池提供过量的锂，从而降低了能量密度并增加了成本。第三，它们太软，无法阻止锂金属枝晶穿透它们。此外，它们在高于 3.8 伏时不稳定，由于需要低能量阴极材料，进一步降低了能量密度。
硫化物： 2011 年日本 Ryoji Kanno 教授发现的锂导电硫化物（例如 LGPS）引起了人们的兴奋，因为它们具有高度的锂离子导电性，满足了上述要求 (a)。然而，它们是广泛研究的固态电解质中热力学最不稳定的一种——在高压阴极侧和低压锂侧都发生反应。为了抵消这种反应性，通常对阴极材料进行涂覆。不幸的是，这些涂层通常会增加电池的内阻，并使电池无法在高功率或低温下运行。但最致命的是，事实证明，尽管经过多年的研究，硫化物仍未能在低温和高充电率下阻止枝晶的形成，这使得它们根本无法用于电动汽车的商用电池系统。
氧化物： 锂导电氧化物隔膜在过去几十年中被发现，但虽然一些氧化物对锂金属具有足够的导电性和稳定性，但传统氧化物在汽车充电速率要求下抑制枝晶形成方面也未能成功。
复合材料： 一些研究小组致力于研究由聚合物和陶瓷组成的复合材料，希望能够实现“两全其美”——既能轻松使用聚合物，又具有陶瓷的硬度。不幸的是，这种方法最终会导致“两全其美”，导致材料不稳定，无法阻止枝晶的形成，因为枝晶似乎是通过两种材料之间的界面生长的。
液体： 一些小组继续研究传统的液体电解质，但这些努力仍然受到枝晶形成和液体与锂金属之间的化学副反应导致的阻抗增长的双重问题的挑战。
值得注意的是，如果拥有使用任何前述隔膜材料的系统，仍然可以制造电池并报告循环结果，但该循环必须在妥协的测试条件下进行。特别是，以下是一些最常用的折衷方案：
用碳或碳硅阳极代替锂金属：恢复为托管阳极会牺牲锂金属阳极的优点，例如能量密度、快速充电、循环寿命、安全性和较低的成本。因此，这些方法并不是大众市场电动汽车所需的性能阶跃变化。
低电流密度： 在低电流密度下，如1-2mA/cm 2，即使是液体也可以与锂金属进行循环。然而，如此低的电流密度对于汽车应用来说并无用处。
升高的温度或压力： 在升高的温度下，锂金属更软并且不太可能形成枝晶。此外，高温会增加聚合物和硫化物等材料的电导率，并降低阴极涂层的电阻率。然而，需要升高温度使得该电池对于大多数商业应用来说不切实际且过于昂贵。升高的压力同样提供了一种将锂“挤压”成更光滑结构的方法，但过高的压力（例如高于 10 个大气压）即使在汽车应用中也是不切实际的。
循环寿命低： 由于枝晶的随机性和阻抗增长的渐进性，许多使用不满足上述要求的材料制成的电池可以提供一些循环，但不足以在商业上可行，并且电池不可靠足以在实际应用中使用。
阳极上过量的锂： 一些努力从阳极上过量的锂层开始，这使得镀锂的过程更容易，但以牺牲能量密度和成本为代价，使得这些方法对于汽车应用来说也不切实际。
关键问题
最近，出现了许多与固态电池相关的公告和声明。 在评估固态电池声明时要问的第一个问题是，电池是否使用锂金属阳极或传统的宿主（碳或碳硅）阳极。 如果他们确实使用托管阳极，这些电池的关键性能指标将类似于传统的锂离子电池，并且无法实现固态锂金属方法的好处（显着更高的能量密度、快速充电、寿命和成本）。最近的许多索赔都属于这一类。
如果所讨论的固态电池确实使用锂金属阳极，那么下一个要问的问题是 它是否可以在不妥协的测试条件下运行，包括接近和低于室温以及高电流密度（即高功率，例如充电 1 小时或充电 15 分钟）。 具体来说，电池在接近室温（~ 30°C）和汽车功率（>3 mA/cm 2，充电一小时所需）下的循环寿命是多少？如果细胞不能在这些条件下发挥作用，我们相信它们在商业上不可行。 许多其他固态锂金属公告都属于这一类。
QuantumScape 的方法
许多固态公告要么根本不显示任何数据，要么在报告数据时遗漏了上述一些参数，最多只留下不完整的图片。在 QuantumScape，我们开发了一种固态陶瓷分离器，能够满足这些要求，而无需上述妥协的测试条件。我们 提供的数据 显示，我们的固态锂金属电池的单层版本可以循环超过 1000 次循环，并且在以 1C 功率速率、接近室温和适度压力进行循环时保留超过 90% 的初始能量。最近， 我们提供的数据显示多层电池 循环次数接近 800 次，且容量保持率相似。
我们根据我们从公开披露的材料和演示中获得、推断或得出的信息，编制了主要固态电池技术工作的关键性能指标数据。该数据如下图所示，截至 2021 年 3 月 4 日。
我们希望本文能够帮助我们的利益相关者了解固态电池技术的更广泛技术前景和 QuantumScape 的独特方法。
