科学家们说，一种革命性的新电池即将问世

充电更快、更安全、更持久的固态电池即将问世。现在唯一的问题是：在我们能够插上电源之前，还有多长时间？

QuantumScape公司位于硅谷中心的圣何塞园区充满了自信。这家电池技术公司的 "QS园区"，包括QS-0、QuantumScape的预试生产线和相邻的三栋建筑，主要用于生产。园区本身的规模和该公司的投资--每栋楼都有一个确认的10年租约，截至2021年11月--标志着QuantumScape的保证，它将成为第一家将电动汽车固态电池推向市场的公司。

QuantumScape声称，最快在2024年，你就可以买到装有其电池的奥迪或大众汽车，这种汽车一次充电可以行驶近400英里，然后在15分钟内充电。这种能力将赋予固态电动车比其竞争对手更多的优势，后者依靠的是无处不在但较弱的锂离子（Li-on）电池。与锂离子电池相比，全固态电池（ASSBs）有望延长寿命，加快充电时间，并且化学成分更安全，但是，尽管已经在该技术上投资了数十亿美元，但按为数百万辆汽车提供动力所需的规模生产这些电池并不容易。像QuantumScape这样的公司正争先恐后地进入市场，领先于其他专注于电池的公司，如科罗拉多州的Solid Power和台湾的ProLogium Technology，以及日产等巨型汽车制造商。竞争带来了，甚至需要大胆的宣称，而QuantumScape并不缺乏这些宣称。

据报道，QuantumScape公司的全固态电池已经经历了该公司首席营销官Asim Hussain所说的 "黄金标准 "测试。ASSB已经连续对其电池进行了400次快速充电（在15分钟内从10%到80%），一些电池已经经历了近1000次的总放电和充电循环。"Hussain说："传统的锂离子电池，或迄今为止的任何其他固态努力，都无法接近这一目标。

QuantumScape公司吹嘘说，它最快可以在今年向其最大的股东--大众汽车公司交付早期原型电池单元（他们称之为 "A-样品"）。到2023年底，它计划建立一条预产线，并向大众汽车公司交付ASSB，以整合到计划于2024年或2025年推出的测试车上。到那时，QuantumScape希望固态电池能够离开它的第一个千兆工厂--这个硅谷术语最初由特斯拉用来描述一个大面积的机器制造厂。

这是一个雄心勃勃的时间表，使该公司能够以微弱的优势击败其最强大的竞争对手进入市场。新加坡的一家电池制造商SES称，它有望在2025年提供可与ASSB相媲美的替代锂金属电池。日产汽车公司表示，它将在2028年之前在汽车中使用自己的固态电池版本。以固态电池为动力的丰田汽车、日产汽车、大众汽车等的格子旗似乎就在眼前。但是，随着创新者的竞争变得拥挤，这种技术多久才能真正为汽车消费者所用？

对于未来几年数以百万计的潜在电动车买家来说，固态电池承诺比目前的电动车组有三个优势：更长的驾驶里程，更快的充电速度，以及更安全的化学成分。2021年，电动车销量达到487,460辆--几乎占所有新车销量的10%，第四季度销量同比猛增72%。尽管销量激增，为所有这些电动马达提供动力的电池技术仍然落后于以气体为燃料的内燃机的能力。

几乎所有的电动汽车都依靠锂离子电池提供动力。根据美国环保署的统计，这些电池的平均综合续航能力为235英里--几乎是大多数汽油车在需要加油之前的一半。为了赢得客户，电动汽车需要匹配或超过其内燃机车的性能，因为它们还不能在价格上竞争。这正是ASSB的优势所在。与目前的锂离子电池组相比，它们承诺了更大的能量密度--它们产生的能量与它们的重量或体积成正比。领先的锂离子电池的能量密度约为每升600瓦时，但QuantumScape预计其ASSB的平均能量密度将达到每升1,000瓦时。Hussain说，这可以将电动车的平均续航里程延长至375至400英里，几乎等同于内燃机的平均续航里程。

ASSB和锂离子电池的关键区别在于它们在电极之间使用的材料。这两种类型的电池都是通过将离子从一个电极（称为阴极）送到另一个电极（称为阳极）来工作的。锂离子电池在两者之间使用一种液体，这使得它们相对容易生产。固态电池使用一种固体电解质材料。这种固体的具体化学组成因公司而异，而且往往是保密的--电池行业相当于可口可乐或百事可乐的配方。常见的固体电解质包括结晶陶瓷、玻璃陶瓷和有机基聚合物。如果有合适的材料，使用固体作为这一途径比使用液体更有效--固体中更紧密的分子可以在相同的空间内容纳更多的能量。

QuantumScape公司正在开发使用陶瓷电解质的电池，部分原因是这种材料不容易形成树枝状物--这是锂电池的一个常见问题，锂离子在多次充电循环过程中聚集在电池的阳极上，形成高活性的滞留物，可能导致短路、电力损失，甚至火灾。尽管QuantumScape的ASSB在结构上需要锂，但该公司声称树枝状物不会成为一种威胁。一般来说，电池制造商声称ASSB将比传统电池更安全，因为固体电解质基本上是不可燃的，降低了电池起火的风险，并消除了对液体电解质电池中热管理系统的需求。

有一个地方正在开发的ASSB仍然不可能超过内燃机：加油的时间。QuantumScape说它的电动车电池从10%到80%需要15分钟。这比目前大多数电动车所需的时间要短得多，但仍比传统汽车在加油站加油所需的5至7分钟要长（尽管相比之下，这确实使iPhone的隔夜充电变得令人沮丧地缓慢）。

以固态电池为动力的电动车的变革潜力已经激励汽车制造商与QuantumScape等公司一起进入这一领域。丰田宣布投资136亿美元用于内部电池开发和生产项目，其中包括2021年的固态电池。今年，他们说其第一批固态电池电动车将于2025年出现在道路上--比其他汽车制造商的ASSB更快--部分原因是电池将首先出现在混合动力车中，混合动力车使用较小的电池组，比全电动车需要的充电更少。

其他公司，如日产，有一个更长但更雄心勃勃的计划来推出固态电池。考虑到该公司在电动汽车方面所走的缓慢而又开创性的道路，这并不太令人惊讶。1998年，日产成为第一家在量产车中使用锂离子电池的汽车制造商；大约十年后，它的Leaf成为第一种大规模生产的电动汽车。在过去的10年里，它一直在研究和开发固态技术，该公司现在说它的目标是在2028年开始大规模生产电池。这个较长的时间表伴随着巨大的性能目标。ASSB的能量密度是锂离子电池的两倍，充电时间是三分之一。

但到目前为止，日产公司几乎没有提供关于他们计划如何实现这一目标的细节。据报道，它专注于一种基于硫化物的固体电解质，其中包括一种 "跳跃 "机制，它提高了电池充电和放电期间离子在阴阳极之间移动的速度和便利性。尽管如此，日产汽车的开发团队负责人Yoshiaki Nitta和Kenzo Oshihara说，该公司还没有确定具体的电池化学成分。他们建议日产可能为不同的汽车使用不同的ASSB化学成分。"我们在材料和阳极方面有多种选择，"Oshihara说。"因为我们使用固体电解质，所以我们能够开发[特殊]材料。"

这对潜在的电动车买家来说有很多需要考虑的问题。但这些说法中也可能有一些未实现的承诺。QuantumScape公司的联合创始人兼首席技术官蒂姆-霍尔姆（Tim Holme）博士说，长期以来，新兴的电池技术都是如此。"我在电池领域工作了20年，"他说，"每周你都会听到关于电池的'突破'，这将彻底改变你的iPhone[例如]。它可以在五分钟内充电，并持续一个星期。然后他们就再也没有上市了"。

如果像QuantumScape、日产和其他公司期望兑现他们的承诺，他们有相当多的障碍需要克服。Yang Shao-Horn博士在麻省理工学院的电化学能源实验室领导一个研究团队，致力于提高ASSB的效率。她敦促大家谨慎看待商业ASSB开发商关于循环寿命和能量密度的说法。她说，这项技术的理论可能性和实际可实现的东西之间有很多差异。

她说："在如何将研究实验室电池的能量密度转化为实际应用的大型电池方面，存在着挑战。她说："能量密度是有物理限制的。基本上，你不能把固体元件塞进电池，就像塞进一个过度包装的手提箱一样，然后说它更有效率。

只是生产电池将是一个挑战。与锂离子电池不同，固态电池在使用过程中会呼吸，这可能会改变电极间材料的压力。"在锂离子电池中，我们花了很多精力来控制温度在一定范围内。在固态电池中，我们可能会花费同样多的精力将其压力控制在一定范围内，"ASSB初创公司UNIGRID电池的联合创始人Darren H.S. Tan说。

尽管有这些障碍，日产、QuantumScape和其他公司说他们有设计或工艺，将使他们能够扩大电池生产规模。日产公司强调，其设计将拥有 "均匀的压力稳定性"，部分指的是减轻堆积压力，即电池电解质层和其他部件之间的接触程度。电池的不同部分像蛋糕一样分层，它们之间一致的堆积压力有助于确保电池在不同地方不会以不同的速度衰减。Kenzo Oshihara说，汽车制造商仍在努力解决这个问题。"如果我们的电池压力太大，我们就会有一些充放电问题。我们必须控制这种压力。这是一项相当困难的任务"。

QuantumScape公司的目标是通过对ASSB的典型层饼配置进行调整来完全避免这个问题--实质上，这些层中的一个会移动。QuantumScape的电池只包含一个镍锰钴或锂铁磷酸盐电极。在这种 "无阳极 "配置中，所有的锂最初都位于电池的阴极，直到第一次充电时，它穿过电解质迁移到电池另一端的电解质表面，在电化学上形成阳极，确保锂离子的平均分布。

ASSB开发商还必须安全地利用电池的高能量密度。爆炸是锂离子电池中一个罕见但广为人知的问题--2021年，由于电池起火问题，雪佛兰扩大了对其Volt电动车的早期召回范围，包括了该车的每一次迭代，而这一问题可能会在ASSB中持续存在。研究表明，ASSB的整体设计应该使它们比锂离子电池更安全，但开发者承认它们有一些风险。

领导日产公司电池战略小组的Yoshiaki Nitta说："我们正在将能量密度提高一倍，这意味着能量非常高，就像炸弹一样"。"我们必须确保ASSB的安全性。我们强调安全第一"。

市场研究公司Benchmark Mineral Intelligence的分析师Kieran O'Regan说，QuantumScape目前的无阳极设计也没有完全消除这种风险。"在任何一点上，如果这些电池被穿透或打开，将有大量的挥发性锂[暴露]，这是非常易燃的。很难相信，当固态依赖于一种非常活跃的、易挥发的金属时，它可以是完全安全的。"

"我们仍有测试要做，但我们期望我们的电池[比锂离子]更安全，"阿西姆-侯赛因说。QuantumScape公司的CMO声称，该公司已经在一系列压力下测试了其电池，并从一开始就将其电池配置为低压设计。

无论哪家公司首先将其技术应用于电动汽车，他们都可能难以宣布全面胜利。即使大规模的千兆工厂开始在QuantumScape等地生产电池，ASSB也可能只占据电池市场的一小部分。

O'Regan说，达到一个 "大众市场 "可能是乐观的。"他说："关于ASSB是电动车的下一步的很多说法，更多的是试图为投资者建立一种说法。"所以[电池制造商]正在销售一个非常大的[电动车]市场，我不认为ASSB会像声称的那样渗透。"

相反，O'Regan认为ASSB将允许汽车制造商区分他们的电动汽车，例如通过增加特定车型的续航能力。他说，对于像特斯拉3型这样更容易获得的消费者车辆，特斯拉可能会选择比ASSB更实惠的电池。"O'Regan说："成本将是大多数电动车的电池技术的关键决定[因素]。

ASSB的生产成本是否会高于目前的锂离子电池，这是一个争论的问题。一些ASSB制造商预计，该技术将降低电动汽车的成本。例如，日产表示，到2028年，其电池组的成本可能低至75美元/千瓦时，长期目标是65美元/千瓦时--大约是2021年锂电池平均132美元/千瓦时的一半。但一些分析家对此持怀疑态度，因为他们预测这种电池最初的产量很低，而且原材料成本上升。Benchmark和金融数据公司Bloomberg的独立分析显示，对普通ASSB金属如锰、钴、镍和铁的需求很高--如果这种情况持续下去，可能会使价格居高不下。"O'Regan说："大多数ASSB（按千瓦时计算）比锂离子电池的材料更密集。"你有一个含有锂的电解质，一个含有锂的阴极，和一个含有锂的阳极。"

对现有锂离子电池生产和基础设施的大量投资可能是固态扩散的另一个障碍。通用汽车公司将在未来三年内花费超过350亿美元用于电动汽车的开发，其中大部分用于该公司的Ultium锂离子电池。日产公司去年尽管热衷于固态电池，但宣布在未来五年内将花费176亿美元用于开发锂离子电池。"我们在液体锂电池方面进行了巨大的投资，你可以想象，"日产的Oshihara说。"我们不只是放弃了[锂离子]电池的投资。我们没有能力大幅增加ASSB的数量。因此，我们希望逐渐地逐步采用ASSB。"

"会有一个共存的阶段，"QuantumScape的Hussain说。"即使我们的工厂规模达到我们预期的水平，这仍然是像大众汽车这样的制造商对电池的需求的一小部分。"

目前的固态电池项目已经吸引了巨大的投资和兴趣，部分原因是它们所拥有的潜力。ASSB可能是生产全电动汽车的最后一步，这种汽车的运行时间与内燃机汽车一样长，加注速度快，而且成本不高。在一片怀疑声中，像QuantumScape这样的公司已经利用这一引人注目的愿景建立了预生产线，并计划即将建立千兆工厂。世界各地都在加紧努力，以便在十年中期之前将固态电池用于汽车，QuantumScape公司的Hussain坚称，对于那些率先到达终点的公司来说，有一个 "巨大 "的市场。现在，就像电池本身一样，开发ASSB的科学家和研究人员需要将这种潜在的能量转化为动能--一种真正的产品，其力量足以撼动整个汽车行业。