大众合作的QuantumScape称电池合法突破

2020-12-10 05:12:24

在某种程度上,所有现代锂离子电池都是一种折衷方案。最初的概念是“锂金属”电池,在相同体积下可以容纳更多的能量。仅有一个小问题:它们总是自我毁灭。但是本周,一家备受关注的电池技术公司宣布,它相信已经解决了这个问题。如果公司所显示的是准确的,那就很重要了。

首先,简要介绍一下。锂电池在充电过程中将锂离子从阴极穿梭到阳极,随着离子在阴极材料中返回其原位而收集能量。这就需要在中间有一个只允许锂离子通过的隔板,并且它需要一种导电电解质。在锂金属电池中,穿梭的锂离子仅在阳极侧形成纯金属锂。但是锂具有形成称为树突的分支针状结构的趋势,该树状结构可以刺穿阴极,导致电池短路。而且,由于这些电池中使用的液态电解质易燃,因此短路时会发生不良情况。

解决的办法是利用石墨阳极。石墨的有序结构使它成为锂离子的理想住所,锂离子可在充电过程中安全地进入房间供其停留。这大大降低了枝晶形成的风险。但是这种石墨可以占据电池体积的近一半,而无需增加额外的能量存储。这样可以使电池安全地工作,但会降低其性能。

改善锂离子电池的一种策略是形成固体电解质材料。这样做很吸引人,因为它可以代替电池的易燃成分,并且还可以减少电解质与其他电池材料之间不希望发生的化学反应,这些化学反应会随着时间的流逝而导致性能下降。在该项目从斯坦福实验室剥离并获得美国能源部的一些资助后,QuantumScape从事固体电解质的研究已有十年之久。 (尽管他们从没有成功的其他技术开始。)但是,除了这些好处之外,QuantumScape表示,其固体电解质材料还可以防止树枝状晶体形成。

在新闻发布会和视频电话中,QuantumScape展示了它已经制造的电池,并提供了大量测试数据。显而易见的警告是,这些测试尚未得到独立验证,足以让任何一个书呆子的眉毛前额逃逸速度。

测试单元与最终产品的外观并不完全相同(稍后会详细介绍),但它们是完整的单元。它们是袋式电池,具有单层阴极层,固体电解质层和阳极接触箔。他们没有描述阴极,但是从对后面一个问题的回答来看,它很可能是镍-锰-钴阴极材料,这是目前电动汽车最常用的材料。但是,固体电解质应适用于任何阴极类型。

在充电过程中,锂离子离开阴极材料,穿过固体电解质层,然后镀在阳极箔上以形成纯锂。这的确会导致电池厚度在充电过程中有点膨胀,但是QuantumScape表示,这种行为很容易解决,因为它只能沿一个方向膨胀。对于锂金属电池的一些尝试要求在阳极侧添加一层锂,以获得更好的稳定性,但是这种电池也可以跳过这种欺骗行为。

从方程式中删除阳极材料后,这些电池的检出功率为每升体积约1,000瓦时。相比之下,当今最好的锂离子电池在700s以下就达到了顶峰。

对于固体电解质材料的一些尝试要求提高温度(高于60°C)以保持稳定性,而在这里情况并非如此。测试表明,电池在-30°C至45°C的温度范围内均可安全运行,尽管它们在最冷的温度下确实会失去某些运行能力。

这些电池还可以处理惊人的充电率,仅用15分钟即可将充电率从0%提高到80%。石墨阳极是安全快速充电的主要瓶颈,固体电解质层似乎可以很好地防止枝晶形成,从而大大提高充电速率。这似乎也是可持续的,因为即使是这种充电速率也可以承受1,000个充电周期,而容量损失仅为10%。这意味着电池寿命应与当今的锂离子电池相当。

与典型的实验室研究相比,QuantumScape看起来要走得更远。该公司表示,大约五年前就已将陶瓷材料确定为其固体电解质,并且从那时起一直在致力于制造过程。但是在这里和使用这些电池的车辆之间仍然存在障碍。虽然QuantumScape所显示的测试单元仅包含一个与扑克牌大小相近的电池夹心层,但该公司表示,其实际的电池单元将更像是一叠纸牌,其中包含许多堆叠在一起的层。 QuantumScape需要设计该单元。

从那里,公司将需要扩大其材料的生产规模。这不仅仅是赚更多钱的问题。 QuantumScape将需要做更多的事情,同时保持完美的质量。尽管公司首席执行官Jagdeep Singh在回答有关缺陷容忍度的问题时有些回避,但似乎任何不一致都可能使树突形成并破坏细胞。

不过,QuantumScape已经获得了巨额投资。就在几周前,它与一家投资集团合并后公开上市。 (这是一个很好的时间来展示有希望的数据...)并且它与大众汽车公司达成了一项合作协议,该协议将扩展到制造阶段,因此它不会自行迈向工业化规模。

至于需要多长时间,辛格解释说,尽管该公司不需要任何激进的制造流程,但您无法准确订购此机器进行两天的运输。但是,如果QuantumScape达到了里程碑,它打算在2024或2025年将产品推向电动汽车市场。

人们普遍对新电池技术的前景表示谨慎,但是可以说,这项技术似乎比平时更成熟。 它似乎也检查了所有的框,而不是仅仅提供了一个令人兴奋的特性(低估了)。 除非测试数据以某种方式被伪造或根本无法代表,否则这是一项引人注目的技术。 也许其他在这个领域工作的公司正在采用类似的方法,但尚未发布。 但是无论哪种方式,如果像这样的电池越过终点线,那将是超越近年来的进步的一个重大飞跃。