锂电池新突破！固态电池15分钟可充到8成电量

由前英飞朗 CEO Jagdeep Singh 联合斯坦福大学科学家 Fritz Prinz、Tim Holme 共同创立的固态锂金属电池公司 QuantumScape 于近日表示，其锂金属电池将很快应用到汽车和卡车上，但有一些观察家仍持怀疑态度。

锂，是周期表上最轻的金属，一直以来，科学家们认为锂金属电池是理想的储能技术。

数十年来，研究人员、企业一直在尝试制造经济实惠、可充电、不易燃的锂金属电池，但都失败了。

电池公司 QuantumScape 位于加州圣何塞，资金雄厚但却不为人知。在今年早些时候，该公司首席执行官贾迪普・辛格接受 The Mobilist 采访，称已经克服了关键技术挑战。辛格补充说，预计到 2025 年，大众公司将在大众汽车和卡车上使用 QuantumScape 电池，以削减成本、提高大众电动汽车的续航里程。

QuantumScape 于 11 月上市，现在市值约为 200 亿美元，但目前还没有产品或收入，并且预计在 2024 年之前也不会有收入。大众已经向该公司投资了 3 亿多美元，并与之成立了一家合资企业来生产电池，QuantumScape 还从其他大型投资者那筹集了数亿美元的资金。

不过，直到现在，辛格还是很少透露有关电池的细节。研究人员、竞争对手和记者都从专利文件、投资者文件和其他渠道寻找线索，以了解该公司究竟以何种方式、取得了哪些成果。

在 12 月 8 日的新闻公告中，QuantumScape 终于提供了实验室测试的技术结果：QuantumScape 研制了一款半固态电池，大多数电池靠电解液来促进带电原子在设备中移动，而这种电池使用的则是固态电解质。

由于使用固态电解质或能提高安全性和能量密度，众多研究人员和企业都在探索能否将其用于化学电池。但以往经验表明，开发难度很高。

不过，QuantumScape 仍隐瞒其电池的某些细节，如所使用的一些关键材料和工艺。而一些专家仍然怀疑 QuantumScape 是否真正解决了棘手的技术挑战。如果技术挑战得以解决，在未来五年内，锂电池或能用于商用车。

测试结果

在接受《麻省理工科技评论》采访时，辛格表示，QuantumScape 已经证明所研发的电池将有效满足消费者五大需求，即成本更低、续航里程更多、充电时间更短、寿命更长以及安全性更高。而迄今为止，电动汽车销量占美国新车销量比例仍低于 2%，正是因为这五大需求无法得到满足。

辛格说：“只要电池能够满足这些要求，相当于打开了 98% 的市场，现在任何方法都达不到这样的效果。”

QuantumScape 电池的表现确实出类拔萃，在去年的一项测试中，美国汽车媒体 MotorTrend 发现，一辆电量为 5% 的 Model 3 汽车，使用特斯拉的 V3 超级充电器充到 90% 花了 37 分钟。而 QuantumScape 电池不到 15 分钟就能充到 80%，并且在 800 次充电周期内可保持 80% 以上的容量，大致相当于行驶 24 万英里。即使充电和放电非常频繁，电池性能也几乎没有打折扣。

QuantumScape 还表示，虽然还没有经过测试，但该电池能支持的行驶里程，可能会超过 80% 以上标准锂离子电池支持的电动汽车行驶里程。

马里兰大学化学和生物分子工程助理教授保罗・艾伯特斯说：“QuantumScape 的数据太漂亮了。” 据悉，艾伯特斯曾是美国能源先进研究计划局的 IONICS 项目主管，研究固态电解质，与 QuantumScape 没有任何隶属或财务关系。

艾伯特斯补充说，QuantumScape 在锂金属电池方面 “令其他人望尘莫及”，“QuantumScape 都跑完一场马拉松了，而其他人只跑了 5 公里。”

如何实现？

那么，QuantumScape 如何取得这些成就呢？

现在电动汽车的标准锂离子电池中，阳极主要是由石墨制成，便于储存在电池中来回穿梭的锂离子。在锂金属电池中，阳极就是由锂制成。那么，几乎每一个电子都可以用来储存能量，所以锂金属电池能量密度可能更大。

但几大挑战随之而来。首先，锂极不稳定。如果锂接触到支持离子移动的电解液等液体，可能会引发副反应，导致电池退化或起火。其次，锂离子流动会形成所谓树枝状的针状物，可能刺穿电池中间的分离器，导致电池短路。

多年来，研究人员为了解决上述问题，利用陶瓷、聚合物和其他材料，试图开发出不与锂金属反应的固态电解质。

QuantumScape 的重要创新之一为开发出一种固态陶瓷电解质，该电解质也是分离器。这种电解质只有几十微米厚，能抑制树枝状物的形成，同时锂离子也能轻松来回通过。电池阴极侧的电解液是某种形式的凝胶，所以 QuantumScape 电池不是完全固态电池。

辛格拒绝说明所使用的材料，称其为最高商业机密。一些电池专家则根据专利文件猜测他们使用了一种名为 LLZO 的氧化物。找到这种材料花了五年时间，为防止出现缺陷和树枝状物，又花了五年时间研发有效组成、确定制造工艺。

QuantumScape 认为，电池采用固态技术，将比目前的锂离子电池更安全。锂离子电池在极端情况下仍会偶尔起火。

另一个重要进步是，QuantumScape 电池没有明显区分出阳极。参见 QuantumScape 视频，可了解更多 “无阳极” 设计。

电池充电时，阴极侧的锂离子会穿过分离器，并在分离器和电池末端的电触点之间形成平面层。放电时，几乎所有的锂离子都会回到阴极。这样一来，不需要任何不直接参与储能或载流工作，只需储存离子的阳极，便可以从而减少电池重量、减小体积。QuantumScape 表示，制造成本也会下降。

其余风险

然而，还有一个问题悬而未决。QuantumScape 是在单层电池上进行实验室测试。而汽车电池需要有几十层电池一起工作。从试验到商业化生产是储能领域的重大挑战，许多曾经很有前途的电池初创企业都没有跨过这个坎，一败涂地。

艾伯特斯指出，许多公司都曾过早宣称电池取得突破，人们失望太多次了，于是对任何新电池都会起疑。艾伯特斯希望，QuantumScape 能将电池提交给国家实验室，在标准化条件下进行独立测试。

其他行业观察家也表示，如果 QuantumScape 到目前为止只对单层电池进行严格测试，那么该公司能否通过规模化和安全测试，并在 2025 年之前将电池用于车辆依然存疑。

电池初创公司 Sila Nanotechnologies 是 QuantumScape 的竞争对手。Sila Nanotechnologies 正在开发一种用于锂离子电池的能量密度阴极材料，并在 The Mobilist 报道前一天发布了一份白皮书，指出固态锂金属电池面临的一连串技术挑战。白皮书指出，考虑到保证锂金属电池工作所需的所有额外措施，各公司又在努力研发商业电池，锂金属许多理论优势都会减少。

但白皮书也强调，采购、生产、运输和安装锂离子的大规模全球基础设施已经存在，锂金属电池如何与之竞争实为最大挑战。

巨大赌注

但其他观察家表示，最新进展既表明，锂金属电池能量密度将大大超过锂离子电池，也表明可以解决阻碍锂金属电池发展的问题。

卡内基梅隆大学副教授文卡特・维斯瓦纳森维斯瓦纳森曾研究锂金属电池，并为 QuantumScape 公司做过咨询工作。他说：“过去的问题是锂金属电池会不会有，现在是锂金属电池什么时候能用上。”

辛格承认，公司仍然面临挑战，但坚持认为挑战在于制造和扩大生产规模方面。辛格认为，化学方面的工作已经足够。

辛格还指出，公司现在拥有 10 亿美元资金，走向商业化生产将如虎添翼。

问及既然没有独立研究结果、为什么记者要相信公司结果，辛格强调，为保持透明度，分享的数据已尽可能多。辛格还补充说，QuantumScape 不是 “做学术研究的”。

辛格说：“说实话，也请你们不要介意，我们并不太在意你们在想什么。我们关心的是客户。客户已经看到了数据，在自己的实验室里进行了测试，效果也很好，于是下了大赌注。大众公司已经倾其所有了。”

换句话说，要知道 QuantumScape 是否如其所称完全解决了问题，就看大众能否在 2025 年之前在汽车上配置 QuantumScape 电池了。

远离误区，正确使用锂电池

在大家的印象中，锂电池比较娇贵，需要好好保养，很多朋友也着实下了一番工夫，希望电池能够长期健康地为我们服役。为什么往往事与愿违呢？只要购买正规渠道产品，正常使用，电池绝不会辜负我们的期望，更不会一不高兴就“自爆”与我们同归于尽。一般情况下，电池坏掉或电量总不足的问题，多是由于我们的使用、保养习惯存在问题，只需一点点小的改变，你的生活就会更轻松了。

● 需要改变的坏习惯

从镍镉、镍氢，到如今的锂电池，它们的结构与原理都发生了本质上的变化，之前流传下来的使用习惯与经验难免过时，我们不应该再用之前的方法使用锂电池，下面几个常见的坏习惯中，我们有则改之无则加勉。

（1）电池怕热又怕冷

很多人喜欢把手机放在私家车里任其暴晒，或为手机套上厚厚的“衣服”，这些习惯都会损害手机电池的寿命。锂离子在电解液和电极片中的迁移速率与温度密切相关，温度的上下波动会显著的影响锂电池的技术性能（图8）。锂电池的正常使用温度为-20℃～+55℃。当温度降到低于-20℃时，电池中的电解液会凝固，电池的内阻会变得无穷大，电池将无法使用。当温度升高到超过+55℃时，电解液会发生副反应产生大量气体，电极片中的树脂粘接剂也会变质，导致整个电池逐渐老化和衰退，甚至会在短期内失效。

还需要特别注意的是，我们在数码产品中使用的锂电池工作温度一般限制在0℃～40℃，智能手机、数码相机中的锂电池，工作温度最好在5℃～35℃，过高或过低的温度都会使电芯内部无法发挥最佳状态，电量将会不断减少，供电时间不像平时那样长，低温状态下或许还会无法充电。

图08：电池的状态与使用温度息息相关

（2）无需深度充放电

数码产品的说明书上，厂家都会注明锂电池的循环充放电次数，一般是几百次。然而很多人误解了它的含义，认为无论用了多少电量，只要插拔一次充电器就会消耗一次电池寿命，每次都要把电量用尽才肯充电。其实锂电池的一次循环充电，指的是完整一次充放电过程，我们如果仅使用10%电量就去充电，不会有任何不良影响，反而会延迟电池的使用寿命，避免过度放电影响电池寿命。

值得注意的是，循环充放电次数就算到达厂家给定的数值也不意味电池就会损坏，这个数值只是检测电池状态的一个手段，我们没必要纠结于数字。还有人做过实验，将标准的4.2V充电电压改为4.1V，对同一型号电池进行循环充放电测试，最后得到的结果是充放电寿命可以提高60%，换做3.9V进行测试，循环次数可以增加数倍，因此若要延迟使用寿命，正确的作法应该是“缓充”，不是“深充”。

（3）买来就要用

锂电池价格不低，遇到打折时需不需要买上几块备着呢？这显然是不可取的，因为首先锂电池会自动放电，每个月的自放电率约为2%，长时间放置不使用，电池就会因过放而损坏，要是你有很多数码产品，别忘了隔几个月就给它们充一次电，保持40%的电量即可（图9）。很容易被人忽略的是，锂电池是一种易产生自我损耗的产品，随着时间的推移，电池的容量会随着时间推移出现不可逆转的物理性衰减，从你买到手的那一天开始，不管是否使用它都在产生损耗，甚至有的产品一年就达到了10%！这也提醒我们，购买电池时一定要看看出厂日期，陈年旧货最好不要购买。

图09：40%是常见锂离子电池快速自放电和慢速自放电的一个转折点，因此更适于长时间存放使用

（4）别用奇怪的充电器

鸭蛋形的手机旅行充电器，十几元的座充都很常见，它们使用方便，充电速度要还比手机自带充电器更快。但这些充电器没有严谨的电路设计（图10），对所有类型的电池一视同仁。按正规的充电流程，锂电池充电器首先要以恒定电流进行充电，待快充满时转换为恒定电压，电流逐渐减小，持续一段时间后将电池充满。而劣质充电器使用恒定电流方式，锂电池充满后仍然继续尝试充电，如果电池内的保护电路失效，锂电池就有可能鼓胀、漏液，甚至起火爆炸。

电池安全十分重要，我们应选择大品牌的充电器，经过厂商认证授权或口碑出众的产品都十分可靠，在做工或保护电路上都与一般产品有明显不同。

图10：一款低价旅行充电器的内部线路及其简单，缺少保护设计，为了避免出现故障，我们要尽量少用这类充电器

● 我们本应更轻松

杜绝上面提到的有害使用方法，按规则合理使用，可以让锂电池拥有更长的寿命，不过用户间还流传一些不靠谱的“使用技巧”，它们对锂电池寿命没有多少好处，反而会让生活变得更麻烦，下面列举几条，如果你的朋友和家人也有这样的习惯，告诉他们不必再浪费时间啦！

（1）无需“激活”锂电池

购买了新手机，很多人特意要让锂电池的前3次充电过程超过12小时，让电池中的化学物质充分反应、磨合，以达到获取最大电池电量的目的，这个过程被称为“激活”。

这是个流传最广的误区，因为锂电池根本不需要“激活”，锂电池在装配完毕离开生产线后，必须经过一道被称作“化成”的工序（图11）。化成二字是从英文单词“Formation”翻译得来，意思是形成保护膜。化成可以提高电池安全性，因为许多锂电池的负电极成分主要是石墨，导电率很高，即使正负电极间有隔膜绝缘，石墨仍有可能刺透隔膜造成短路。因此产品到达消费者手中前，必须在石墨表面通过化学方法形成一层绝缘保护膜，可以使电池的安全性能大大提高。化成过程中，工厂还会根据电芯的表现进行挑选，区分出不同等级的产品。经过化成工序，锂电池已完全处于最佳状态，等同于完成了激活（图12），用户拿到电池后直接使用即可，有些厂商的说明书中会建议大家先充电再使用，更多的是考虑到电池中只充了一半的电量（原因见上文），怕用户直接使用，待机时间过短造成困扰。

图11：成工序专用测试系统

图12：合格锂电池出厂前都要经过专业设备的“激活”

（2）别迷信“涓流充电”

“涓流充电”是镍镉、镍氢电池时代用户遗留的习惯，是指当充电器显示充满后，继续充电一小时以抵消内阻的干扰，把电池彻底充满。这种方式理论上也适用于锂电池，许多号称能保养电池的软件也会鼓励用户这么做。

可仔细一想，你就会发现对锂电池采用“涓流充电”没什么必要，因为根据充电器控制芯片的不同，检测到电池已充满电后，多数会自动断开停止充电，少部分会进入放电流程。所以在我们额外充电的时间里，其实没做任何有用功，还有可能降低电池的寿命。相反，一旦充电器质量不佳（如低价旅行充电器），电压将会不稳定，容易超过4.2V导致过充。

【小提示】：有很多朋友迷信“涓流充电”导致电池膨胀（图13），我们该怎么办呢？最好的解决方法自然更换新电池，但要是你急着使用，可待电池冷却后，找到电池的空隙，在电池背面靠近充电电极的位置用针戳个小洞，放出里面的空气就行了。但是我们必须要注意，首先一定要在电池冷却后再进行放气，否则会出现危险，甚至可能造成燃烧；其次如果不仅泄出气体，还有其他液体等漏出，那么只能马上放弃这块电池，不要尝试使用；第三漏气后的电池有一定的危险性，寿命也会快速缩减，所以紧急使用一次后必须要更换，不要再次充电和重复使用了。

图13：左侧电池就被充得鼓了起来，不放气没法塞回手机

（3）夜里充电更危险？

尽量不夜间给锂电池充电，似乎已是不少玩家的共识，这种观念最早或许来源于基本的防火意识，毕竟深夜我们都在睡觉，电池万一爆炸引起火灾可不是闹着玩的。也有的人认为是因夜间电压不稳，电池过充所致，但这并非主要原因，因为充电器除了变压作用之外，还会起到稳压作用，就算老城区夜间电压有一定波动，也会被电源适配器缓冲从而得到解决。我们没必要担心因电压引起的充电故障，只要确保使用正规的充电器，不要一边充电一边执行高负载任务即可，尤其玩完游戏应该退出或转入后台，避免由于过热引发故障。

夜间充电不像传说中那样危险，要是你实在担心安全，可以在睡前1～3小时充电，睡觉时拔掉充电器，对一般人来说，此时手机已充的电量其实足够第二天使用了，如夜间没有特殊需求，建议大家更改为“飞行模式”，不进行无线连接的手机和平板电脑耗电量会大大降低。另外因为充电时难免产生一定的热量和升温，所以还是应该养成一些好的条件，例如别把正在充电的手机放在被子或其他保温材料中，也不要在充电器和手机周围堆放易燃物等

（4）充电器不能混用？

由于目前家庭中的数码设备已经很多，且充电接口基本统一，但各种不同的充电器充电电流差别也比较大，从500mA到2A都有，有些人甚至一些厂商都会特别强调一定要使用原配充电器，不能随便拿起就用，否则会造成危险，这是真的吗？

同接口不同电流的典型之一是苹果iPhone和iPad，iPhone的充电器规格是5V/1A，iPad的充电器规格是5V/2.1A，电压相同但是电流足足差了一倍多，但实验证明，不同iOS设备的充电器可以混用，绝不会造成过充或损坏充电器的情况。苹果官方网站也写得清楚：“iPad USB电源适配器是一个10W的充电器。虽然此iPad 10W USB电源适配器设计为供iPad使用，但是您仍可通过其对所有iPhone和iPod机型充电。”

苹果在设计产品时，在针脚上进行了分类设计，电源适配器可以获知接入设备的种类，也就能对负载做出调整。iPad充电器的最大输出电流是2.1A，负载需要多大的电流，它就会在力所能及的范围内提供相应的电流，所以接入iPhone时会提供1A电流，接入iPad时就自动变为2.1A，不会有一丁点危险。而用iPhone充电器为iPad充电时，由于充电器最大电流是1A，所以iPad的充电时间就会延长。

尽管Android设备品牌众多，也没有形成统一的充电标准，但正规厂商的手机充电部分和充电器也都内置了不少识别和安全措施，一些快充方案也都有自己的识别模块，例如使用一些最高9V/2A的快速充电器（图14）给非原配手机充电时，因为没有检测到相应的充电模块，快速充电器并不会强行以高电压高电流充电，而是以更常见的5V/2A或者1A、500mA标准充电，这一标准其实和PC的USB接口电流一样，当然不会对数码设备产生不良影响和危险，否则这一数码设备连接PC都会有问题，显然是自身设计存在很大的缺陷。

总结

尽管我们不断听到各种超级电池、新型电池、新型储能设备的新闻，但在未来很长一段时间里，锂电池都是无可替代的，上游电池厂商会不断追求电池续航能力与安全性，价格也会随着我国电池行业的发展而更平易近人，锂电池安全性会是经久不衰的话题。本次我们简单介绍了一些锂电池的原理和注意事项，希望大家能更安全地使用数码产品，不因个别事件而惧怕锂电池。

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