“鋰離子電池為第一代電動汽車供應了動力，扮演了重要的鋪路石角色。而我們相信，QuantumScape的鋰金屬固態電池，將會為汽車產業打開新一代電池技術的大門，為交通行業的全面電動化鋪平道路。”

2020年十二月八日，美國固態電池初創公司QuantumScape（QS）創始人兼CEO賈格迪普·辛格（JagdeepSingh）向外界發出如上宣言。

這個得到大眾汽車重注支持的固態電池公司，之所以選擇在這一時刻高調發聲，是因為在不久之前的十一月底，QS以33億美元估值在紐交所正式上市，成為“固態電池全球第一股”。

辛格的發言，出現在QS首次公布其電池測試結果的網絡公布會上。

根據辛格的介紹，QS開發的鋰金屬固態電池，成功解決了電動汽車動力鋰離子電池的5大痛點：成本、續航、充電時間、循環壽命和安全性。

在QS展示的測試結果中，一些核心信息包括：

充電至80%僅需15分鐘以下

800次充放電循環后，電池容量衰減低于20%

續航里程比鋰離子電池驅動的電動汽車提升80%以上

消息公布當日，QS股價大漲31.08%；此后半個月，這家營收為零、且未來4-5年內都將不會有營收的公司，股價卻一路飆升，市值一度接近480億美元，超過福特、菲亞特克萊斯勒等汽車制造商。

QS之所以備受業界關注，源自于電動汽車行業對下一代電池技術的翹首期盼。

當前的電動汽車，在安全性、續航里程、充電速度和成本方面無法令人滿意，很大程度上源自于電池技術的不成熟。

在可見的范疇，固態電池是最有潛力解決以上問題，并一舉顛覆電池業和汽車業的電池技術。

抓住“下一代電池技術”，就意味著抓住了在電動汽車時代存活下去的命脈。因此，有關固態電池這一“電池技術的圣杯”，世界上所有的車企都趨之若鶩。

而對第三方電池生產商而言，顛覆性的電池技術，將意味著顛覆性的產業環境，同樣是關乎生死的命題。

一、固態電池的“執念”

固態電池被許多人看作鋰離子電池技術發展的下一代方法，原因重要有以下幾方面：

1.能量密度高：采用鋰金屬作為電池負極，可顯著提升電池能量密度。

在當前的三元鋰電體系下，高鎳正極與硅碳負極的組合，已經是能量密度的理論頂點。

以高電壓層狀過渡金屬氧化物做正極、石墨做負極的鋰離子電池，其質量能量密度理論極限約為300Wh/kg——當前以松下/特斯拉NCA為代表的高鎳三元材料體系，電芯能量密度達260Wh/kg，正在接近這一極限。

若引入硅基合金代替純石墨做負極，則能量密度理論上限約可提升至400Wh/kg。

要想進一步提高能量密度，須采用金屬鋰做負極。目前普遍使用的石墨負極材料的理論比容量僅為372mAh/g，而金屬鋰的理論比容量為3860mAh/g，鋰金屬電池能量密度的理論上限可達500Wh/kg以上。

要使用金屬鋰做負極，就必須將熱穩定性差、易燃易漏、易在鋰金屬表面出現分解從而縮短電池壽命的液態電解質，替換為固態電解質。

去除電解液之后，鋰離子電池的正負極和電解質均為固態，“固態電池”由此得名。

2.安全性高：固態電解質具有不可燃、耐高溫、無腐蝕、不揮發等特性，因此從材料的本征特性上根除了傳統鋰離子電池中電解液泄漏、電極短路等安全隱患。

由于電動汽車起火事故多是因動力鋰離子電池正負極短路所致，鋰離子電池苦電解液久矣。

3.電化學窗口寬：充電時采用更高電壓，意味著能夠脫出更多的鋰。

液態電解質在電壓超過4.4V時會被氧化，為電池帶來安全風險的同時，三元材料的正極表面也會發生不可逆的相變；而固態電解質能夠支撐5V以上的電化學窗口，可適應更高電壓型的電極材料。

此外，更高的電壓還意味著可在單體電芯內部進行串聯，從而將單體電芯做得更大。大電芯化、去模組化，是當前動力鋰離子電池包設計的主流趨勢，由于大量不參與化學反應的模組殼體和冗余材料被去除，電池包的成組效率進一步提升，從而提高能量密度、降低成本。

4.成本下降空間大：理論上看，鋰金屬固態電池成組效率更高、采用的材料更少、結構更簡單，生產工藝流程有望得到簡化；相應地，電池包的保護系統、冷卻系統、BMS等均可得到簡化。

因此，固態電池實現量產后有望在材料和生產工藝兩個方面，實現比傳統鋰離子電池更低的成本。

針對電動汽車在續航、安全性和成本等方面的短板，固態電池在理論上都具備絕對優勢。正因為此，業界一直對固態電池寄予厚望，認為其終將替代當前以液態電解質為基礎的鋰離子電池。

然而，在享受豐碩果實之前，人們還需經歷漫長的等待。

鋰金屬固態電池的設想出現于20世紀70年代，40多年過去，至今尚未有人開發出可供大批量生產的固態電池產品。

根據材料劃分，固態電解質重要可分為聚合物、氧化物和硫化物三種體系。

難點在于，無論哪一種材料類別，均無法在解決低電導率、低能量密度、低穩定性、高昂成本、低電壓和鋰枝晶等問題之間找到平衡點。

不同類型固態電解質材料比較（來源：中金公司）

傳統液態電解質的室溫離子電導率約為10-2S/cm，與之相比，無論是聚合物、氧化物還是硫化物材料體系，均存在數量級上的差距。

此外，固態電解質與電極之間的”固-固”界面，接觸緊密性較差，且會出現遠高于傳統“液-固”界面的阻抗，使得鋰離子在界面之間的傳輸受阻。

低離子電導率和高界面阻抗導致的高內阻，使得鋰離子在固態電池內部傳輸效率低，在高倍率大電流下的傳輸能力差，因此會影響電池的快充性能。

綜上原因，找尋理想的固態電解質材料，是一項異常艱巨的任務。擁有30年以上固態電池研究相關相關經驗的東京工業大學教授RyojiKanno將其比喻為“在浩瀚大海中捕撈一條無法獲知其定位的魚”——難度近同于大海撈針。

值得提及的是，一些公司通過在固態電解質中摻雜液態電解質，可在一定程度上改善電導率低的問題。

但由于鋰金屬極度活躍的特性，液態電解質與鋰金屬負極之間又會出現新的界面問題和穩定性問題。

因此，負極材料的選擇，很可能無法直接跨越至鋰金屬，而是以石墨摻硅、硅替代石墨這樣的漸進方式，尋找既提高能量密度又保持穩定性和安全性的材料體系。

全固態電池的實現或許無法一蹴而就，而是要經過“半固態-準固態-全固態”的逐步迭代方能實現。

二、行業現狀

全球范圍內，對電池技術擁有遠大抱負的公司，都在前赴后繼地投身固態電池研發。

有趣的是，包括豐田、大眾、寶馬和福特，以及剛剛宣布入局汽車領域的富士康（蘋果），均將實現固態電池量產的時間節點，設定在2025年前后。

若以上公司中的任何一家能夠成功實現這一目標，都可能為動力鋰離子電池行業帶來天翻地覆的變化。

電芯能量密度達到500Wh/kg，將意味著電動汽車續航里程可輕松達到1200km以上的級別。

如此大幅的能量密度提升，是現有材料體系下的鋰離子電池無法企及的。若再加上4C倍率充電，固態電池將以不可抗拒的性能優勢，率先從高端車型開始搭載，并對整個交通領域的動力鋰離子電池裝機展開替換攻勢。

規模效應形成之后，由于固態電池所用的材料更少、生產工藝可能更簡單，其將擁有足夠的空間下探至比液態電解質鋰離子電池更低的成本。

屆時，整個動力鋰離子電池產業鏈，將不得不面對向固態電池產業鏈轉型融合——否則將被替換——的嚴峻局面。

盡管前景令人心潮澎湃，但固態電池（準確地說：全固態電池）在當前的進展，并不足以讓人感到樂觀。

早在2011年，法國公司Bolloré就將自主研發的聚合物固態電池搭載在了名為Bluecar電動汽車上。Bluecar在巴黎汽車共享服務項目Autolib中共投放約2900輛，成為全球首個采用全固態鋰離子電池的電動汽車型。

然而，由于聚合物材料體系對運行溫度要求高，要在80℃下工作，電池包需配備額外的加熱系統，因此整體能量密度僅100Wh/kg，相比液態電解質鋰離子電池并無優勢可言。

在另外兩條固態電池技術路線上，就連能夠搭載樣車進行測試的案例都鳳毛麟角。

最為人所知的豐田汽車，已積累多年固態電池研發相關相關經驗，至今卻公布信息寥寥。最新的進展是，豐田宣布將在東京奧運會上展示其搭載固態電池的樣車，正式量產則要在2025年前后。

QuantumScape是全球第一家固態電池上市公司，其在股票市場引發的關注，將固態電池戰爭由幕后推上了臺前。

或許在QS的助推下，我們也有望看到豐田向外界披露更多其固態電池技術的秘密。

三、又一家“期貨”上市公司

QuantumScape究竟是何來頭？

2008年，作為特斯拉Roadster首批車主，賈格迪普·辛格每天駕駛這輛顛覆了人們對電動汽車認知的超跑上下班。

盡管對這輛電動汽車非常喜歡，但他發現車輛在使用過程中出現的絕大多數問題，都與車上的電池系統有關。

辛格由此出現了投身電池領域的想法，作為曾成功創建上市公司InfineraCorp.的計算機科學家，他放棄了公司CEO的職位，加入KhoslaVentures風投公司，孕育創業動力鋰離子電池的想法。

2010年，辛格與來自斯坦福大學的教授FritzPrinz和TimHolme共同創立QuantumScape公司，開始進行固態電池研發。

憑借來自斯坦福大學的技術團隊，QS很快得到了明星風險投資人約翰·杜爾的支持，接著比爾·蓋茨也加入進來。

2012年，大眾汽車向QS投資1億美元。其時的電動汽車技術路線選擇并不明朗，隨著豐田著手研究固態電池技術的消息傳出，大眾對QS的投資更多是一種謹慎跟隨的戰術。

經過5年研究，QS的團隊于2015年確定了其固態電解質的材料體系，研發重點轉向對這一材料體系的優化和生產工藝研究。

2018年六月，大眾與QS宣布成立合資公司QSVOperationsLLC，雙方各持股50%，希望通過共同的“長期計劃”，實現QS固態電池的商業化生產，其時預計的量產時間是2025年。

2020年六月，大眾向QS追加2億美元投資，并以持股23%成為QS最大股東。此外，KPCB、上汽、大陸集團等公司和風險基金也陸續加入QS的投資人行列。

這一年，我國和歐洲的電動汽車市場，在經歷疫情蹂躪后呈現出強大的上升勢頭，全球汽車行業向電動化轉型的步伐超出預期，促使大眾加注布局動力鋰離子電池領域。

這一年，以特斯拉為首的新能源汽車公司在美股市場煞是風光。

借此大勢，美國的一眾新能源汽車和充電樁公司，通過與SPAC（特殊目的收購公司）合并的方式完成IPO上市，2020年由此被稱為“SPAC之年”。

2020年十一月二十七日，QS通過與KensingtonCapital合并，在紐交所成功上市，趕上了SPAC之年的末班車，也首次將電池類公司加入了“SPAC群體”的名單之中。

根據QS于2020年十二月十七日公布的招股書中顯示，該公司目前擁有275名員工，其計劃通過與大眾的合作，于2024年建立1GWh試生產線，并通過首先在大眾高端車型上搭載，實現其鋰金屬固態電池的商業化量產。

此后，作為產量建設的第二期，QS計劃將其固態電池產量擴展至20GWh。

辛格表示，大眾計劃在2025年銷售300萬輛電動汽車，若以高端車單車帶電量100kWh計，這將意味著300GWh動力鋰離子電池需求，因此即使QS于2025年實現20GWh產量，其將僅占大眾所需動力鋰離子電池的6.7%。

辛格同時還表示，雙方的合作協議中并未包含限制性條款，QS對與大眾汽車之外其他車企的合作持開放態度。

這家至少在2024年以前都不會有任何推向市場的產品、也不會有銷售收入的公司，聲稱“已經解決了固態電池商業化面對的重要問題”，并獲得了超越福特汽車的市值，令人感嘆資本市場的瘋狂。

四、QuantumScape究竟取得了什么突破

QS開發的固態電池技術，使用一種陶瓷材料的固態隔膜，代替傳統的液態電解質和多孔隔膜，同時取消了傳統鋰離子電池中的石墨負極。

亦即是說，在生產環節，電芯結構中不存在負極。當電池首次充電時，從正極材料中析出的鋰穿過隔膜層，并在負極集流體表面聚集形成臨時的鋰金屬負極。

當電池放電時，鋰離子重新回到正極，這層臨時組建的負極消失，周而往復。

辛格介紹道，這層隔膜所使用的陶瓷材料體系，正是QS技術的核心所在。其所扮演的角色相當于傳統鋰離子電池中的液態電解質+隔膜，既具有像液態電解質相同的電導率和極高的化學穩定性，同時還能抵抗鋰枝晶的破壞。

QS使用的正極材料，是在傳統鎳鈷錳（NCM）三元材料的基礎上加入由有機聚合物組成的膠狀物。未來QS還計劃研發全固態的正極材料，以替代該膠狀聚合物。

將隔膜布置在正極材料與負極集流體之間，并剪裁為85*70mm的長方形卡片，即形成了QS此次用于測試的單體疊片。

QS表示，據其所知，該疊片是歷史上首個被世界領先車企（大眾）在車用功率密度下進行測試和驗證的固態電池單體（豐田在此處表示強烈抗議？）

在十二月八日的視頻公布會上，辛格重點介紹了該單體疊片在快充、安全、低溫、壽命等方面的測試表現。

快充速度方面，與使用碳/硅材料做負極的鋰離子電池充電80%約需40分鐘相比，QS的單體疊片僅需不到15分鐘即可充電至80%。

循環壽命方面，QS的單體疊片在30℃溫度條件下，以三倍于車用充放電頻率的加速測試，經過包括以1C倍率進行100%放電等“商用標準”測試條件的考驗后，能夠實現在800次循環（相當于行駛約38.6萬公里）后，電池容量衰減低于20%。

為了證明該電池在低溫條件下同樣能夠保持良好的衰減率，QS還展示了在-10℃低溫條件下，以5C倍率充電、3C倍率放電的電池衰減情況。結果顯示，在約110次充放電循環后，電池容量衰減約為5%。

此外，QS還以電池重量比能量的衰減作為比較參數，展示了其單體疊片對極端低溫條件的耐受能力。結果顯示，在-30℃低溫下，該單體疊片的重量比能量約比0℃條件下衰減30%——與之對應的是，傳統鋰離子電池在-25℃下，這一衰減比率達到50%以上。

當在采訪中被問及開發過程中最大的挑戰時，辛格表示，尋找固態電解質材料時最大的困難是解決鋰枝晶問題——這也是困擾無數電化學研究者的“世紀難題”。

說到此，辛格向記者講了一件趣事：在長達數年的時間里，QS公司的一名工程師每年都會在公司舉辦的萬圣節Party上假扮成鋰枝晶形狀的怪物，每一次都會讓這支以研發人員組成的群體感到毛骨悚然。

鋰枝晶的形成，會大大阻礙鋰離子電池在電流密度方面的性能。電流密度越大，越容易形成鋰枝晶，并穿透隔膜造成正負極短路。

QS聲稱其已解決了鋰枝晶的問題。

根據QS在相關測試中的結果顯示，以4C倍率完成15分鐘充至80%的條件下，電流密度約為16mA/cm2，對應形成的鋰鍍層厚度約為15μm。

仿真測試顯示，QS的固態隔膜，即使在電流密度達到100mA/cm2、充電倍率高達25C時，鋰鍍層厚度也僅為30μm——理論上說，只要鋰鍍層厚度不超過隔膜層的厚度，便不會出現鋰枝晶穿透隔膜的現象。

安全性方面，由于陶瓷無機材料本身不可燃，防止了液態電解質起火、爆炸的風險；在耐高溫測試中，QS陶瓷隔膜在250℃與熔融鋰的直接接觸中保持穩定，遠高于鋰的熔點（180℃）。

此外，由于傳統鋰離子電池中以石墨/碳為主體材料的負極不復存在，原由負極材料占據的大量空間被節省出來，電池的體積能量密度和質量能量密度均可得到大幅提升——QS在招股書中表示，相比當前的鋰離子電池，其固態電池能量密度提升可達80%。

而因使用材料更少、制造成本和原材料成本降低，QS測算其固態電池成本將比傳統鋰離子電池下降17%。

五、挑戰重重

QS的成果在業界內受到了廣泛關注。除了大眾和比爾·蓋茨的背書和支持外，2019年諾貝爾獎得主、“鋰電之父”斯坦利·威廷漢也出面為其站臺。

而作為QS董事會成員的特斯拉聯合創始人、前CTO杰弗里·斯特勞貝爾（J.B.Straubel），更是不吝贊美之詞：

“動力鋰離子電池的很多性能，取決于如何在防止鋰枝晶前提下的‘可運作窗口’中找到最好的平衡。特斯拉的最大成就之一，就是在這一窗口中將很多性能做到了極致；過去幾年里，鋰離子電池領域的性能提升，每年假如能有個位數的突破就已經非常了不起，而QS實現的50%以上的提升，簡直令人贊嘆！”

盡管如此，QS公布的技術成果和未來規劃，無論在信息完整性還是準確性上，都受到了大量質疑。

首先，QS所展示的所有性能均以單體疊片的測試結果作為依據，而并非真正的電芯，更遑論電池包乃至整車層面。

眾所周知，有關電池材料體系的研究，試驗室結果與商業化應用相隔甚遠。在實現了“1%的可能性”之后，要將其變成99%甚至100%的可靠應用，往往要多年的試錯和改進。

曾在特斯拉負責Roadster電池系統開發的科學家、現SilaNanotech公司創始人兼CEO吉恩·貝爾迪切夫斯基（GeneBerdichevsky）認為：

“在面積很小的（<0.01m2）電解質表面實現很高的均勻性和長壽命是相對容易的，因為從統計學上講，可以制造出沒有缺陷的小電池……但要在電解質面積達到500m2、要快速充電的汽車電池中防止制造缺陷，則需使用制造電子芯片的納米級精度的設備和工藝，但是有關電池而言，那太過昂貴了……在過去十年里，人們已經進行了許多嘗試，但都沒有成功，即使開發出了良好的、無缺陷的電解質，也可能不夠……”

對此，辛格承認批量生產和商業化應用的確是“另一個層面上的挑戰”，但他堅信，既然QS已經找到了正確的材料，就意味著具備了成功的基礎條件。在他看來，如何實現固態電池的生產，畢竟是“工程層面的問題”，而不再有“科學層面的障礙”。

這樣的表態，難免被制造業人士嗤為“天真的學院派想法”。

其次，QS所稱的“陶瓷材料”含義過于模糊，并未供應具有足夠理論支撐的技術細節。

盡管QS將之解釋為“因涉及公司核心技術機密，不便公布更多細節”，但隨著技術研發向商業化推進，QS的技術細節越模糊，就越會不斷受到挑戰和質疑。

辛格對此直白地表示，QS團隊將專注于開發其固態電池的生產工藝，不會過分在意外界的質疑，因為“說到底，QS是為客戶和股東而存在的，并不要關注其他人怎么看”。

盡管QS對其材料體系諱莫如深，但據中金研究院分析，從QS對其固態電池正極材料、隔膜層厚度和鋰金屬負極的描述，以及公開信息中QS的專利布局來看，QS采用的固態電池路線很可能為氧化物體系下的鋯酸鑭鋰（LLZO）石榴石狀氧化物。

石榴石狀固態電解質是氧化物體系中的一種統稱，重要指一系列x酸鑭鋰化合物，其中的x一般為稀土金屬鎵、鈮或鋯。

該體系在目前所有固態電解質體系中對鋰金屬適用性最好，同時可以做成隔膜狀產品，相對的電池形體柔性較好。

但該體系的缺點同樣明顯：電導率有限、界面問題突出、能量密度提升空間有限，且制備難度很大。

若QS使用的材料果真為石榴石狀氧化物體系，則其所宣傳的電導率高、能量密度比傳統鋰離子電池提高80%、正極材料生產可與當前NCM三元電池集成等優勢，均需進一步驗證。

再次，在固態電池的賽道上，QS面對激烈的競爭。

如前文所述，除了已在固態電池領域布局近20年、宣稱將在2025年量產的豐田之外，幾乎所有志存高遠的車企和電池生產商，都是這條賽道上的競爭者。

其中，不僅有寶馬和福特投資、同為美國初創公司的SolidPower，甚至連跨界造車失敗的戴森，也仍對固態電池技術念念不忘，于2015年收購固態電池公司Sakti3，繼續追夢。

在我國，包括動力鋰離子電池巨無霸寧德時代、鋰資源巨頭贛鋒鋰業，以及從消費電子領域拓展而來的輝能科技等公司，均在大力投入固態電池研發。

在拿出令人信服、可供量產的產品之前，QS并無法證明自己具備明顯的優勢。

而如今已成為美股上市公司的QS，將負有更多義務向公眾開放信息，其所進行的研發投資和每一步計劃的執行、進展或延遲，都將被暴露在聚光燈下。

為保持股東和資本市場的信心，QS必須努力達成每一個里程碑節點，以保持健康的股市表現、維持良好的生存環境。

更高的曝光度將成為雙刃劍，既可能為QS帶來更高的估值和融資，同時也會賦之以更大期待和壓力。

與此同時，QS的競爭者們，可以在這只“出頭鳥”的掩護下，伺機而動。

最后，QS面對的競爭遠不止于固態電池的友商們，而更是以特斯拉為代表的、堅持液態電解質路線或開拓其他技術方法的電池生產商。

根據特斯拉在2020年“電池日”上的介紹，其將推出的4680圓柱形電池，通過電芯設計、生產工藝、正負極材料和電池包集成等多方面優化，將實現56%成本下降，以及54%續駛里程提升。

以上計劃的實現，意味著動力鋰離子電池成本將逼近50美元/kWh，電動汽車續航里程將達到800km以上級別。

雖然特斯拉并未給出具體的時間表，但聲稱2030年電池產量將達3TWh（3000GWh）的馬斯克，一定不會允許到2030年還無法實現以上目標的情況發生。

根據QS在招股書中的預測，其2028年規劃產量為91GWh（約等于特斯拉規劃產量的1/33），營業額為64.4億美元。

假設其當年銷量約等于產量，則意味著2028年QS固態電池價格為70.77美元/kWh（64.4億美元/91GWh）。

以QS預測的30%毛利率計，QS預計在2028年的固態電池成本約為49美元/kWh——這與特斯拉的成本目標非常接近。

看得出，QS正是以50美元/kWh作為其固態電池達到100GWh產量時的成本目標的。

而在當下，對QS而言，荊棘和險灘才剛剛開始在面前鋪展。

2021年，辛格和他的團隊將迎來迅速成長期，這意味著急速擴張的團隊、飆升的費用、更多的硬件設施以及不斷增多、數不勝數的工程難題。

對QS最重要的事情，是盡快將其鋰金屬固態電池技術變為電芯、電池組、電池包、搭載上車、進行測試，其后還需有不斷的改良、試錯，以及很可能更為復雜的生產工藝的開發。

在QS進行以上動作的同時，全球領先的電池生產商和車企們，每年都會成倍地擴充產量、降低成本。

更多有實力的競爭者，將會進入電池生產領域，實力有限的玩家將被淘汰，頭部聚集將會愈發明顯。

2021年一月四日，QS股價單日下挫40.84%，讓其投資者體驗了“瘋狂過山車”的感覺。

在未來很長時期內，這樣的體驗可能會反復上演。

截至一月十四日收盤，QS股價距巔峰時已經腰斬，總市值為203億美元。

六、結語

隨著全球光伏發電成本首次與火電持平，風電、光伏、核電等發電成本持續下降，人類能源體系即將加快向清潔能源轉變。

與之對應的是，儲能技術的創新才剛剛開始，電池技術的革新有望在未來10-20年里持續推進。

未來幾年里，我們將越來越頻繁地看到固態電池技術取得的進展，我們將有幸觀賞這場“下一代電池技術戰爭”的血雨腥風。

無論最終的獲勝者是誰，固態電池的未來都令人期待。

因為，人類對更高能量密度的追求，永無止境。

參考資料：

1.QuantumScape招股書

2.GeneBerdichevsky:TheFutureofEnergyStorage

3.中金：簡析固態電池潛力路線

4.王凌方：《鋰離子電池宿命：繞不過的固態電池》