广汽埃安旗下昊铂品牌今日宣布，昊铂“全固态”电池即将亮相，将于4月12日发布。据介绍，该电池采用100%固态电解质，具备超高能量密度、超强本征安全（主要指单体安全），超宽使用温域等特点，并已经“从实验室走向量产应用”。
智己汽车正式推出业内首个准900V超快充固态电池——第一代光年固态电池，并首搭智己全新轿车智己L6。该固态电池可实现高温不可燃、减少穿刺短路的同时，峰值充电功率达400kW，充电12分钟续航增加400km。据悉，第一代光年固态电池采用纳米尺度固态电解质包裹超高镍正极和新一代高比能硅碳负极，CLTC续航将超过1000km。
今天还是主要分析一下Quantum Scape固态电池：
1、Quantum Scape 的介绍及技术路线
Quantumscape是一家专注于研发和生产固态电池的公司，成立于2012年，总部位于美国加州圣地亚哥。该公司的创始人包括Kostas Kostarelos和Jens Honer，他们都是材料科学和能源领域的专家。Quantumscape的固态电池技术基于固态电解质，相比传统的锂离子电池，具有更高的能量密度、更长的寿命、更快的充电速度和更高的安全性。该公司的固态电池技术已经在电动汽车、储能系统等领域进行了测试和应用。Quantumscape公司在美国加州圣地亚哥和中国上海设有研发中心，并在德国慕尼黑设有办事处。该公司的客户包括多家知名汽车制造商和能源公司。
各公司固态电池技术路线比较
QS固态电池的技术指标
2. Quantum Scape 的最新进展及规划
最近，PowerCo 对 QuantumScape 的 24 层电池进行了自己的耐久性测试，结果相当令人鼓舞。经过数个月的测试，这些电池在德国萨尔茨吉特实验室经历了 1000 多次充放循环，仍然保持了超过 95% 的原始容量。根据这些数据，PowerCo 表示，配备 QuantumScape 电池的电动汽车按照 WLTP 标准的续航里程可以达到 500-600 公里，而实际驾驶中，行驶 50 万公里几乎不会出现明显的续航衰减。
业内通常将固态电池在这一阶段的标准目标设定为 700 次循环和 20% 的最大容量损失，而 QuantumScape 的电池远远超出了预期，证实了他们在股东信中公布的测试结果。此外，这些高能量密度的电池还满足或超过了快速充电、安全性和自放电等方面的测试标准。
PowerCo 首席执行官 Frank Blome 表示：“这些测试结果令人振奋，有力地证明了固态电池的潜力。最终，这项技术可能带来续航里程长、充电超快、几乎不会衰减的电池。我们对固态电池充满信心，并将与合作伙伴 QuantumScape 一起全力推进量产。”
PowerCo 表示，其为大众集团开发的统一电池概念设计已经兼容 QuantumScape 的固态电池技术。下一步，两家公司将致力于完善和扩大生产工艺，朝着大规模生产固态电池的目标迈进。大规模生产固态电池被认为是电动汽车领域的“圣杯”，QuantumScape 与大众的合作无疑将加速这一技术的落地。
2023.10 最新测试数据更新
整车客户测试的结果 测试数据由某知名整车厂提供，测试电池为前期所提到的A0原型电池，电池为24层，按照Quantum Scape公司的定义，24层电池实际应该对应的是12层双面正极+13层负极，电池正极面容量3.1mAh/cm2，电池容量大约为3.6Ah。该整车厂的循环制度按照C/3充电，C/2放电，进行100%SOC循环，该充放电制度较Quantum Scape公司自测1C/1C制度稍缓和一些，测试温度为室温，测试压力为3.4个标准大气压。当前电池循环1000周，能量保持率达到95%以上，这个数据优于Quantum Scape公司自测的结果，应该是由于充放电倍率小的缘故。对于这一结果，从报告中可以知道Quantum Scape公司也很意外。
第三方电池测试数据
技术解读：
1) 首先，这款QS的固态电池采用了氧化物电解质，一般的锂离子电导率也就1mS/cm, 考虑到晶界接触不良的影响，实际电导率更低，也就是液态电解液(~8mS/cm)的10%左右。
这么低的电导率通常室温下只能在很低的C-rate下运行，而QS的电池不仅室温1C充电，低温-30℃也可以正常运行，甚至放电容量比采用硅碳负极的液态锂离子电池还要好。
可以肯定的是，这款固态电池添加了液态电解液成分。根据上海硅酸盐所温兆银老师课题组博士的经验，氧化物固态电池哪怕只添加一点点液态电解液，其效果都是立竿见影的，对于常温和低温的运行几乎是不可或缺的
2)其次，这款无负极电池大概率是添加了锂金属的电池。根据锂离子电池专家Jeff Dahn的研究，锂金属电池循环可逆性差，一般需要理论厚度3倍以上的锂才能实现更好的循环。这其中1倍厚度指得是负极锂金属的容量跟正极材料发挥的克容量相当，如果是无负极的化，相当于0倍厚度，循环很难做好。
3) 第三，即使是用了锂金属，也用了液态电解液来降低内阻，1500次的循环依然有很大难度。这里面对于锂枝晶的抑制，包括电解液跟锂的成膜稳定性都很重要, 所以电解液的配方可能是其中的核心。
目前来看，除了QS以外，锂金属电池取得的最好的循环寿命可能就是SES的混合固液锂金属电池了，在2021年底SPAC上市前，SES公开了其高比能锂金属电池的循环数据，其中0.25Ah的循环800次保持率80%，而4.2Ah的循环550次，保持率在90%以上，预计最终的循环寿命也就800~1000次。
QS大概率就是在SES的电解液配方基础上优化的（基于LiFSI材料，且浓度至少为3~5M，通过公开发明专利分析，同时SES的电解液采用的是有机溶剂，并不是水。
综上，QS的固态电池技术方案应该是跟SES类似的，负极是超薄锂金属，正极是高镍三元，电解液基于LiFSI材料，且浓度至少为3~5M,并且固态电解质的厚度应该较大(>20µm)，所以电池的能量密度可能并不高，而且高浓度锂盐成本也十分高昂。
Quantum Scape公司2023年的主要工作任务目标：
1）提升正极面容量至5mAh/cm2：正极面容量直接与电池的能量密度相关，一般而言常规铁锂电池正极面容量小于3mAh/cm2，而高镍三元体系则有可能做到4mAh/cm2，Quantum Scape公司前期展示的数据都是基于~3mAh/cm2面容量的电极设计，其认为，这一电极面容量可以兼顾电池的能量密度和功率密度，更高的能量密度电池显然需要更高的正极面容量设计，而5mAh/cm2的面容量应该对应400-500Wh/kg，甚至更高能量密度的电池设计。
当然，要实现5mAh/cm2的固态正极设计也需要解决许多技术问题：如何制备高质量的厚电极、如何优化电极的孔结构、如何改善电极活性颗粒与固态电解质的界面等等。
update:
上面提到的数据是由电芯单元（Unit cell, Bi-layer stack）进行测试的，鉴于Quantum Scape公司对layer定义和正常电芯企业的差异，在之前的文章中对此进行过专门的说明，概要而言，这次的测试对象实际是由1片双面涂覆的高面容量正极加上2片固态电解质膜，同时两侧对应2片无金属锂的负极集流体，从图中可以很清晰理解这一定义。 高面容量正极面容量为5.3-5.4mAh/cm2，材料体系从曲线上看是三元正极，但是由于不知道具体信息，因此对应的面密度等信息不得而知了。
电池循环测试时测试压力约3.4atm，充电和放电倍率都是1C，对应电流密度为5.3-5.4mA/cm2，充放电区间为100%，测试温度25℃。
电池目前循环了800周，尽管电池循环过程的一致性较差，但是测试的几只电池能量保持率都在90%以上，对比800周的能量保持率，这种由高面容量电极组装成的电池与前期Quantum Scape公司公开的3.1-3.4mAh/cm2面容量电池相近，这样就会得出一个初步的结论：增加至目标面容量5mAh/cm2对于全固态电池的循环性能并没有显著的影响。
QS自测高容量正极数据
2）提高电芯中活性物质占比（降低非活性物质占比）：电芯中活性物质是一方面，而非活性物质也是非常重要，降低非活性物质占比可以直接提升电芯的能量密度，例如：更加紧凑的公差设计、超薄集流体的应用。所以这些工作不能影响电芯的性能（需要考虑降低非活性物质占比其对电芯性能的影响）。
3）提升制造质量和一致性：此无需多言了。Quantum Scape公司关于此方面的详细介绍可以看报告。
4）开发更高效的电解质膜制造工艺：固态电解质膜是固态电池的核心，更快更好的规模化制备电解质膜是全固态电池的核心工作。
QS 2023年度目标
3. QS 对于硫化物电解质的态度
QuantumScape已经致力于发明和制造最好的电动汽车电池超过10年。我们仔细检查了我们能想到的每一种固体材料-进行了超过300万次实验室测试-特别关注了硫化物。虽然一开始硫化物似乎有一些积极的特征，但经过深入的研究，我们认为硫化物不适合作为全固态电池的电解质。
那么，为什么我们放弃硫化物固态电解质呢？有三个主要原因：
1）硫化物不能阻止枝晶形成，需要外部系统来维持高温和高压，增加电池组的重量、体积和成本。
2）当在高性能电池中使用时，硫化物会发生化学分解。
3）当硫化物与水分接触时会产生有害气体。
问题1：枝晶（QS电解质vs硫化物电解质）
我们认为硫化物不能作为固态电解质的第一个也是最重要的原因是缺乏证据表明它们可以阻止枝晶。枝晶是金属锂的枝状结构，其在锂金属电池的负极生成。它们在生长过程中会从内部破坏电池。当它们一路到达正极时，会导致电池短路并失效。即使在传统的锂离子电池中，枝晶也会形成，导致火灾甚至爆炸。
QS电解质vs硫化物电解质：锂枝晶
有几个办法可以让使用硫化物固态电池解决这个问题：
使用石墨或硅负极：使用石墨或硅负极而不是锂金属可以防止枝晶，但这也会降低与传统的锂离子技术相比的续航里程、成本和充电时间优势，因为锂金属负极是提高性能的关键。其他几家固态电池公司也采取了这种方法。例如，Solid Power在发布数据显示其电池在无助于高温的纯锂金属阳极下无法维持可接受的功率速率几个月后，宣布了新的硅阳极试点生产线。三星也发布了使用碳基阳极的结果，并添加了银，但这种做法成本太高，不切实际。
施加巨大的压力：如果施加巨大的压力，硫化物固态电池似乎可以提供可接受的结果。例如，三星对其硫化物固态电池进行了测试，测试压力为20-40个大气压，Solid Power报告的测试压力为70-90个大气压，哈佛的一个实验室最近公布了硫化物固态电解质的测试结果，压力超过750个大气压-几乎在海下五英里的压力，足以压碎核潜艇。在实验室里可能有这样的压力是可能的，但在电动汽车的电池组中超过10个大气压可能是不切实际的。
在高温下运行：锂在高温下较软，使枝晶不太可能形成。然而，高温需要复杂而昂贵的热管理系统，保持电池高温会消耗能量并缩短电池寿命。
低功率运行：当电池以低功率运行时，枝晶不太可能形成。然而，限制电池的功率意味着不能快速充电，而快速充电是电动汽车有效竞争内燃机车辆的关键要求之一。缺乏快速充电是大多数固态电池的致命弱点。
问题2：不稳定 （QS电解质vs硫化物电解质）
硫化物固态电解质的另一个问题是其化学成分本身的不稳定性。例如，即使硫化物能够阻止锂枝晶，它们仍然会与锂金属反应，在负极上填充无用的化学副产物，限制功率输出并缩短电池寿命。考虑到电池寿命和功率对司机的重要性，硫化物的不稳定性可能会限制它们在乘用电动汽车中的吸引力。
硫化物不仅与纯锂反应，也会与正极发生反应，例如高性能电动汽车中使用的高镍材料材料。虽然通过添加其他化学物质可以减少这个问题，但仍然存在电池在负极和正极两侧过度使用而开始降解的风险。
因此，使用硫化物固态电解质的电池非常敏感，必须在使用上加以大量限制。这使得它们对电动汽车驾驶者缺乏吸引力，因为他们希望更快地充电并加速而不必担心损害电池。
QS电解质 vs 硫化电解质：稳定性
问题3：安全性
在某些方面，这是最严重的问题。如上所述，硫化物非常活泼。硫化物与之反应之一是水，当它们与水或湿度接触时，会产生一种叫做硫化氢的气体。硫化氢气体剧毒、易燃，甚至可以爆炸——它在一战中被用作化学武器，多年来在多起工业事故中造成数十人死亡。
在制造过程中防止水与硫化物材料接触是一项严重、复杂且昂贵的挑战——空气中的少量湿度都可能导致致命水平的硫化氢积聚。制造缺陷或车祸可能导致电池在使用过程中暴露在水中，可能导致火灾或毒害车内人员。
固态电池的一个主要优势是可以提高安全性，但使用硫化物固态电解质会产生一系列非常严重的风险。
QuantumScape的优势
与基于硫化物的方法相比，QuantumScape的非硫化物固态电解质已显示出在实际情况条件下可防止枝晶的形成；此前的博客文章涵盖我们在哪些条件下测试我们的电池。我们的固态电解质对高性能锂金属阳极稳定，如果接触到水，不会产生危险副产物。
这些优势提高了性能、安全性和可制造性，并最终使得QuantumScape不使用硫化物固态电解质。尽管十年前当我们开始工作时硫化物看起来很有希望，并且我们也对其进行了彻底的调查，但我们相信硫化物固态电解质所面临的障碍是极具挑战性的，甚至可能是不可逾越的。
