固态电池出现大突破，QuantumScape解决了“枝晶难题”？

固态电池来了！

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编者按：到处都是电池，电子设备需要电池，汽车飞机也需要强大的电池。可惜，锂电池却碰到了技术瓶颈。许多企业正在研究固态电池，它是人类的希望。但固态电池有一个很大的难题没有解决，也就是“枝晶难题”。现在有一家公司宣称它找到了解决方案。原文作者Steve LeVine，原文标题为：If True, QuantumScape Has Made the biggest Leap in batteries Since the Debut of Lithium-Ion。

QuantumScape是一家锂金属电池创业公司，11月股市开始交易的第一天，它的股价大涨57%。10天之后，QuantumScape的股价又翻了一倍，过了不到两周，股价再涨72%。在不到一个月的时间里，QuantumScape股价涨了5.7倍。随后股价开始大跌。与大约两个月前相比，现在它的股价大约只上涨了80%。

现在锂离子电池技术似乎迎来重大突破，如果你能理解到这一点，便会明白QuantumScape的股价疯狂上涨符合逻辑。大约45年前，埃克森美孚公司（Exxon）发明第一个锂存储装置，之后研究人员便开始努力，想做到石油公司没有做成的事：开发出高纯锂电池，锂是元素周期表上最轻的金属。如果他们成功了，新电池就能为电动汽车提供强大的电力存储装置。可惜，一直没有人有能力驾驭这种顽固的金属。

但金属电池有一个巨大缺陷，它会形成枝晶。枝晶的形成是电池重复充电和放电后金属积淀不均匀造成的。电池使用时间延长，金属晶簇会生长，形状类似树枝，有时能够穿透电极隔离膜，从而造成电池短路，使设备“死亡”。研究人员想解决枝晶问题，但他们连引发的原因都没有完全搞明白。有一点是研发人员认同的：枝晶很可怕。在研发电池的过程中，如果发现枝晶开始出现，也就意味着不得不宣告研究失败了。

去年12月，QuantumScape发布消息，宣称公司取得令人瞩目的成绩。它开发出新型锂金属电池，这种电池只要15分钟就能充满电，装进汽车，当汽车行驶24万英里之后，还能保持90%剩余电量。在一项测试中，电池甚至只要2分钟就能充满。一时间，华尔街和电池研究社区沸腾了。

不久前，QuantumScape的两位创始人接受采访，但他们似乎只想谈论一件事：公司是如何打败枝晶的？

QuantumScape CEO Jagdeep Singh和CFO Tim Holme解释说，公司找到了引发枝晶的准确原因，随后研究人员开发一种材料，它可以在枝晶”成长“之前克制。如果研究成果真的有效，它会是1991年锂离子电池商业化之后电池领域最重要的突破。Singh说：“我们很幸运，最终开发出这样一种材料。团队发现了它。还有，团队可以用低成本大规模制造这种材料。如果做不到这一点，那就没有意义。”

在过去几年里，QuantumScape是一家很神秘的公司，它拒绝透露最基本的细节。去年9月，QuantumScape在纽交所上市，大家开始走近它。尽管如此，对于这种关键的分离材料（在两极之间的薄膜片），QuantumScape仍然保持沉默。

有一个问题值得我们思考：bannister时刻真的来了吗？从19世纪开始，全球赛跑教练和运动员都在努力，试图达成一个目标：在4分钟以内跑完1英里。1954年，一位25岁的英国医学院学生冲破极限，他叫Roger bannister。可惜新纪录并没有保持多久。46天之后，澳大利亚运动员又刷新纪录，第二年，在一次比赛中居然有3位选手也达到目标。在随后的几年里，又有1400多人达到。由此可以看出，在4分钟内跑完1英里这个障碍只是意识上的，并非做不到。

枝晶只是意识上的障碍吗？其它企业也能打败吗？

2009年，Singh想发明新电池。当时他是Infinera光网络公司的CEO和创始人，Singh辞去工作，向理想挺进。Singh在斯坦福大学拿到计算机学位，在那里结识了材料学教授Holme和Fritz prinz。第二年，QuantumScape公司创建。

Singh说：“我们当时并不知道应该如何制造更棒的电池，我们只是想增加能量密度，加快充电速度，增强安全性，等等。”不只如此，制造必须便宜，电池内不能有稀土或者稀有材料（比如锗、铂、钯），制造必须可以持续，用现有锂离子电池制造机器就能生产。

很快Singh就得出结论，要造出超级电池，最好的选择是锂。但是锂金属极为活跃，目前的电动汽车电池也是锂电池，但里面只有少量锂，放在安全的石墨阳极中。为了制造纯锂金属电池，大多研究人员会开发固态分离器，防止液态电解质破坏锂金属。Singh的目标也是一样的，为了制造新电池，他融资1.5亿美元。没多久，QuantumScape就招募了大约100名工程师。Holme团队将所有可能的材料列出来，看看哪种材料能够制造最好的分离器。

Singh说：“很可惜，所有材料都会形成枝晶。这是大挑战，也是唯一挑战。”一年过去了，然后是两年，三年。2014年Singh绝望了，团队其它人也绝望了。Singh用照片展示枝晶，他说：“真是一张让人恐惧的图片。这里是固体分离器，但它无法阻止枝晶。在图片你可以看到锂金属穿过材料，上面的灰色区域说明锂已经渗透到材料中。”

没有一种材料有用。Singh回忆道：“当时我们陷入黑暗时刻。公司融了不少钱，但看不到隧道尽头有光。你不知道正确的行动应该是怎样的。现金躺在银行账户上。是不是应该继续投资？是不是应该告诉投资者：‘伙计，钱还给你，项目行不通。’”

Holme将所有人集中，对他们说：“没有时间了。将工作放下，所有人都听着，现在我们要开始解决枝晶问题。如果问题不解决，我们就不会有产品，不会有公司。”在整整一年里，工程团队所有人都围着枝晶问题转。他们收集所有枝晶形成的理论。最开始他们认为只要分离器足够硬，枝晶就不会穿透并导致电池短路；但后来他们发现并非如此，即使是坚硬的陶瓷，锂也能穿透。无奈之下，研究人员只好开发软分离器，但同样不管用。

最终研究人员抛弃所有文献。Singh说：“我们必须回到主要原则，就枝晶的形成原因提出自己的理论。我们要开发自己的计量技术，评估技术和材料质量，因为事实已经证明，有东西引起枝晶，但普通的计量技术甚至都无法评估。”

2015年，团队终于就锂枝晶给出一套解释。随后他们用这套标准测试收集的材料，最终发现有一种材料可以解决枝晶问题，效果还不错。Singh说：“我本来很压抑，但随后这种情绪开始缓解。”

从开始到成功，团队整整花了五年，他们所要的不过小小的一片材料。随后团队优化材料，试图让材料变得更大更好，而且不能有缺陷。每一次增大尺寸都要花费大约6个月至1年，这个阶段又耗费了5年时间。到了2019年年底和2020年，团队进入最后一步，将电池扩大，从30x30毫米变成70x85毫米。

到底QuantumScape发现了什么？枝晶是什么引起的？他们没有说。Singh说：“最终我们会向公众披露的，现在行业还不知道，要做很多工作、付出很多汗水才能找到原因，如果我们现在就披露，竞争对手进入就会容易很多。所以我们现在要保密。”

在过去几十年里，电池社区一直被枝晶折磨，听到QuantumScape的宣言许多研究人员无法接受。当我咨询研究人员，他们经常会反问：QuantumScape是不是发现一种通用锂枝晶解决方案？还是说这种方案并非通用方案，有局限性？bloombergNEF能源研究公司能源存储主管James Frith问道：“它们的解决方案能否应用于其它锂离子系统？还是说只适用于它自己的系统？就算它们的突破是真的，如果其它人无法从QuantumScape的发现中受益，又怎么能说是真正的科学突破？”

我问Singh，它们的解决方案是不是通用枝晶解决方案。Singh在邮件中回应称：“我们的发现适用于固态分离器，而据我们所知，它是唯一能阻止枝晶的方法。”从Singh的话分析，似乎QuantumScape的方法适合于各种固态分离器，竞争对手也能用。如果真是这样，电池产业就会迎来bannister时刻。现在最重要的问题在于确认，看看突破是不是真的。Frith说：“要请独立人士来验证。只有这样能确认它是不是真的。”但到目前为止还看不到独立验证结果。

Jeff Sakamoto是密歇根大学材料学教授，他的电池研究工作和QuantumScape差不多。Jeff Sakamoto回应称，如果QuantumScape关于枝晶的报告是真的，那的确是重大突破。QuantumScape还说：“锂金属电池是电池产业的圣杯，这的确是突破。”至于突破是不是技术上的突破，他无法确认。Jeff Sakamoto仔细查看了QuantumScape的专利文件，他认为该公司可以只能是找到了一种巧妙的方法来操纵电池。QuantumScape也许会调节进入电池的电池。Jeff Sakamoto说：“当电池开始形成枝晶时，他们可以阻止，让电流逆转。如果小心控制，就能绕开枝晶问题。”如果QuantumScape在材料科学方面找到突破口，Jeff Sakamoto会更加高兴。

Sakamoto指出：“研究他们的专利文件可以发现，QuantumScape并非在材料方面找到了突破口，也不是开发出魔幻涂层。换言之，在性能方面到底是如何取得进步的，我们找不到明确的证据来解释。如果他们真的开发出突破性材料或者涂层，却保密不公开，那会是非常危险的举动，因为产品的特点会显露出来。我就会想，它们只是改变了电池循环方法，和电池内的材料无关。”

QuantumScape声称自己解决了枝晶问题，而所有这些断言都与单层电池有关，如果想让电池商用，层数要增加到100层。许多专家都说，增加层数是很难的事。

我们应该听听QuantumScape的竞争对手是怎么说的，比如Solid power，它也是美国公司，正在研究固态电池。Solid power CTO Josh buettner-Garrett没有明确提到QuantumScape，他认为，制造单层电池是一回事，制造多层电池并保持同样的性能又是另一回事；在汽车产业如何以合适的成本大规模生产多层电池是关键，而QuantumScape并没有明确解释。

阿贡国家实验室能源存储协作中心主管Venkat Srinivasan认为，如何增加层数？如何规模化？这些难题为其它电极（比如硅）留下了机会，它们也可以抢先商业化，QuantumScape的创新的确是一大进步，但从技术角度看是不是真的大飞跃？我们无法确定。Venkat Srinivasan说：“再过15年，当我们回看，可能会发现硅才是改变电动汽车版图、让人类全面走向电气化的关键。”

针对这种怀疑，我给Singh发了封邮件。我在邮件中问：“锂金属内为什么会出现枝晶？你们声称已经找到了明确原因。我可不可以这样理解，你们并不是发明一套新理论，而是找到了实际原因，这样理解正确吗？第二点，你们的解决方案可以阻止枝晶形成，是这样吗？”

Singh在回复中表示：“出于谦虚，我们不会说我们找到了枝晶形成的决定性原因。打个比方，比如牛顿引力定律，我们用它可以预测炮弹路径、月食时间，但我们不会说牛顿定律是引力的决定性理论。最终爱因斯坦提出广义相对论，它更好一些。也许还有比广义相对论更好的理论，它可以告诉我们黑洞是怎样的。”

“我们找到一种理论，它可以解释枝晶，这种理论和传统智慧不太一样，我们可以验证这一理论，然后开发出固态分离器，它可以在高密度电流下运行，而且循环次数可以超过1000次，这样说可能更好。在实际汽车中，上面的参数相当重要，从这个角度看，我们的研究很有趣，很关键。”

当我们与石油商交流时，会有一种感觉：石油是活的，它在全球流动，让某些国家变得更富有，让地球变得更温暖。与Singh交流，你也会有一种相似的感受：锂也是活的。它现在没有爆发只是因为受到一些技术上的压制。Singh说：“开发Singh金属电池让我们谦虚，因为你不确定难题否能突破。”