无负极、全固态？大众押注12年的电池路线原是文字游戏|固态电池|文字游戏|正极|电芯|电解液|负极|锂离子

解读“B样”固态电池

更紧凑、轻便的电动跑车能大规模上市的前提是，要有能量密度高且体积小的电池——这几乎是新一代电池技术的必备要求。有的研究者和企业选择在电池材料上找突破，从磷酸铁锂电池、三元锂电池到钠电池；也有在电池结构上下功夫的，比如改良的刀片电池、“4680”以及近乎颠覆的固态电池。

中日韩三国已经占据了锂电时代太多目光，但最近在固态电池上声量最响的，反倒是大众押注了12年之久的硅谷明星企业。

不久前，硅谷固态电池研发企业QuantumScape在发布2024年第三季度财报业绩报告时提到，已经开始小批量生产其首款商业化产品QSE-5的B样品（B sample）固态电池，并且这些电池将很快就要发送至合作伙伴手中，进行上车测试。鉴于QuantumScape的第一大股东就是大众，且这几年大众对于电池新路线也很热情，几乎可以确定这个“合作伙伴”是谁。

那什么又是电池“B样”呢？一般来讲，一款全新的动力电池想要量产上车需要经历A样、B样、C样和D样四个阶段。A样要满足基本功能，重点其实是电芯材料体系的验证，这个时候电池整个还处于概念阶段；B样电池要进行电芯设计，确定它的规格、容量、循环性能、尺寸以及封装形式等等；C样则需要满足安全要求，并开始小批量生产；D样意味着达到量产要求。

如果说A样还是电池的“小学阶段”，B样就是“初中生”——它比A样更接近最终产品，但在设计、性能和可靠性方面仍然需要进一步优化。有电池行业工程人员告诉笔者，一款不成熟的动力电池从A样到最终上车量产，如果没有成熟的产品平台，且技术复杂、工程难度高，那很有可能要花3到5年时间。

所以尽管已经到B样阶段，我们还是不能期望它能立刻规模化。况且，QuantumScape的固态电池距离“全固态”电池，恐怕还有一定距离。

无负极的电池

QuantumScape是Fritz Prinz等三位斯坦福教授于2010年共同成立的，那年连特斯拉都还没交付第一辆ModelS，甚至要比宁德时代上市还早一年。QuantumScape很早就决定专注于固态电池路线，但这些年融资倒是融了好几轮、又通过SPAC（特殊目的收购）在美股上市，但直到今年年初才推出了第一个原型产品。

业内固态电池迟迟没有落地量产主要有两个原因，第一个就是固态电解质中离子导电效率太慢，以及界面阻抗大。传统锂电池用电解液也是因为离子在液态环境中迁移的更快，就像在水里游泳和在沙堆里游泳，速度必然有差异。

但笔者认为，这个缺点和安全性相衡量的话，固态电池还是略胜一筹。

液态电解质虽然有高离子导电率，但挥发性也高、易泄露、易燃，存在安全隐患。而固态电池不受这个问题的困扰，不仅能改善电池包安全性能还有望提升电池性能。当然用作动力电池的话还是要考虑怎么改变电芯材料的配方，去提升导电效率。

第二个原因就是固态电解质没办法像电解液一样完全贴合包覆电极，这样就会导致电极材料的利用率降低。

QuantumScape的方法是改变电解质和负极。

他们选择的技术路线最特别的一点就是“无负极”的制造工艺。读者们应该比较熟悉锂电池的工作原理和结构：它由正负极、隔膜和电解液组成，依靠锂离子在电池正负极之间移动实现电能的存储和输出，锂离子要在负极中储存和释放。

但QSE-5在出厂时就没有石墨或者硅这样的材料作为负极主体材料，而是只有一片金属箔片作为电极，那么就意味着当锂离子从正极材料迁移到负极时，会直接在电解质与金属箔片（通常是铜箔）之间沉积，慢慢地，负极就变成了金属锂。这个过程也是可逆，因为放电的时候，这些金属锂又会解离为锂离子，最终实现多次循环。

这就实现了一个固态电池的一个终极目标，那就是不用石墨或者硅作为锂离子嵌入的“容器”，消除了负极主体材料中锂离子的扩散瓶颈，充电倍率也会相应提升。

其实相比于传统锂电池，固态电池的负极选择本来就更加丰富。

传统的石墨负极在能量密度方面已经跟不上时代了，毕竟石墨的克容量只有372毫安时（372mAh/g），行业头部公司的产品都已经实现了365mAh/g的能量密度，逼近理论天花板就意味着提升空间十分有限，需要下一代材料替代品。毫安时（mAh）是电池容量的单位，表示电池在1毫安的电流下可以持续放电的时间。

硅基负极是目前的热门候选者之一，也就是在石墨负极中添加硅元素，这样一来，它的理论克容量可达4200mAh，远超石墨类材料。但是，在锂离子的嵌入、脱出过程中，硅的体积变化太大，能达到300%，所以只能掺杂一点硅元素，不然会导致电极结构破坏。

固态电池的负极能选上述两种材料也可以直接用金属锂。锂的理论克容量可达到3860mAh，虽然没有硅那么高，但是一方面，硅充放电的时候会体积膨胀，所以可达到的容量往往低于理论值；另一方面，金属锂的电化学势很低（相对于标准氢电极为3.04V），匹配更合适的正极材料能创造出更大的电势差，好处就是输出电压、能量密度、使用时间都有很大提升。

隐晦的“全固态”

以前我们讨论固态电池的时候，总说它和目前的常见的锂电池最大不同在于电解质不是液态而是固态，有有机聚合物、无机硫化物和无机氧化物等三种，代替了传统锂离子电池的电解液和隔膜。

传统锂电池中，电解液能占到30%的体积，而固态电解质可以让电池体积缩小，且能量密度显著提升，像QSE-5，就宣称能量密度已经超过800Wh/L；另外，液态电解质大多在低温状态下容易“黏稠”，影响锂离子的传导效率，所以好多电动车冬天续航会蹭蹭地掉，但固态电池就没这个烦恼了，低温高温性能都不差。最重要的是，固态电池在受到外力撞击时，正负极不容易接触进而短路，电解质也不易泄漏燃烧。

QuantumScape选择的电解质是一种刚性的陶瓷材料，属于氧化物路线。因为机械强度大，可以抑制锂枝晶的生长；又因为刚性强、比较脆，和负极的界面接触按理来说是比较差的——但QuantumScape直接不放置负极了，这个困扰也就消失了。

问题是，电解质还是要跟正极进行接触，QuantumScape怎么解决的？它在正极和电解质之间仍然填充了一部分液态电解液。在宣传原文中，“固态电解质”其实一直被称为隔膜（separator），类似一种文字游戏，总的来说，QSE-5还不能算是全固态电池，但从结构、材料上看跟国内电池厂商做的“半固态电池”还不太一样，这点可以之后再讨论。

目前为止，QuantumScape还没有一款能够在电动汽车上销售的产品问世，小批量的示范性装车也很难作为固态电池产业化判断依据——中国科学院院士欧阳明高曾在今年年初一场业界会议上提到，固态电池产业化的判断标准应该是“市场份额至少达到1%”。作为业内唯一一家宣布要量产全固态电池的企业，QuantumScape还有太多未竟之事。