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/ 朱 琳

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/ 杜 凱

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Bloomberg，作者：Akshat Rathi

幾十年來，學術界、初創企業和企業研發團隊一直在尋找電池的未來——很有可能，只是一片薄薄的陶瓷材料，柔韌到可以在兩根手指之間彎曲。

但除了矽谷一家的初創公司，沒有人被允許知道它是由什麼組成的。甚至這種人造物質的顏色也是一個嚴格保密的秘密，所以它當然也從來沒有被獨立分析過。

這種電池材料早在被應用到一輛電動車之前，就已經讓加迪·辛格（Jagdeep Singh）成為億萬富翁了。

他的公司QuantumScape在2020年年底走出了秘密模式，公開上市，獲得了有前景的資料支援，但沒有商業產品，也沒有收入。

很快，該公司的估值就超過了福特汽車公司，而後者在2020年最後一個季度在美國銷售了50多萬輛轎車和卡車。

辛格和他的團隊聲稱，電池的飛躍有望使電動汽車的續航里程比目前的鋰離子技術延長50%，同時將長途駕駛的充電時間縮短至15分鐘。

華爾街對特殊目的收購公司（簡稱SPAC）狂熱追捧的投資者，似乎特別青睞那些沒有利潤的電池相關初創公司。QuantumScape的市值目前約為200億美元。

電池革命來的正是時候

要理解其中的原因，你需要看看電池本身的組成。在QuantumScape的故事中，數百名工程師和科學家在實驗室裡24小時連軸轉地工作，重新想象現代鋰離子電池中的每個原子。直到最近也沒有向公眾展示了任何具體的東西，甚至連誰做了什麼都不知道。

▼但是，電池到底是什麼樣？

“我不想透露他們的名字，”擔任執行長的聯合創始人之一辛格說，“因為我不想冒被別人挖走的風險。”該公司甚至要求攝影師在拍攝照片之前使用變色濾鏡，以免材料的真實色調暴露出來。

保密是電池開發的標準。這是因為，QuantumScape並不是唯一一個在追求這一目標的公司：Solid Power、Prologiom Technology和Ilika等初創公司，以及豐田汽車和三星電子等大公司，都在努力爭奪下一代能源儲存這一艱鉅的大獎。

想想鋰離子電池，經過少量的更新，自1991年首次商業化使用以來，已經佔領了世界，為從消費裝置到電網的所有裝置供電。僅在過去的10年裡，電池的成本就下降了90%以上，而電池的效能每年只提高了一點點。這些增量來自於緩慢減少儲存等量能量所需的材料數量，或略微調整化學成分。

QuantumScape聲稱已經完全替換了鋰離子電池中四種主要材料中的兩種。辛格說：“用這種化學方法設想未來幾十年不是不可能的。”他的目標是從根本上升級電動汽車，並將電池的應用範圍擴大到飛行計程車等其他技術。

也許，除了所有的秘密之外，窺視電池未來的最大障礙是，我們很少有人知道電池是如何進化的。在電動汽車內部踩下油門踏板，表面上的情況與之前幾乎一樣。但裡面發生了什麼？這是一般特斯拉的超級粉絲可能很難描述的。這很奇怪，因為數以億計的成年人整天隨身攜帶著同樣的鋰離子技術，每晚都睡在它旁邊。

▼用於成分分析的顯微鏡

電池無形的內部生命包括數萬億個帶電的鋰離子在兩個電極（陰極和陽極）之間流動，這使得快速移動成為可能。將電動汽車或智慧手機充電，反過來也會發生同樣的事情。就像輪胎會隨著使用而磨損一樣，電池的一大塊組成原子每次來回旋轉都會導致電池退化。

QuantumScape公司所承諾的突破性進展，只得到了2020年12月以來公佈的有限初步資料的支援。這在很大程度上是透過用固體電解質取代液態電解質而實現的——這是一個長期尋求的成就，並將獲得一個新名字：固態電池。

但相信別人看不見的發明會帶來驚人的風險。很少有電池初創公司會讓自己的技術接受獨立驗證，因此幾乎不可能進行比較。關於過度炒作電池進步的警示故事隨處可見。

英國家電製造商戴森有限公司不得不減記9000萬美元收購初創公司Sakti3的資產，該公司曾承諾生產固態電池。據推測，Pellion技術公司開發了下一代鋰電池，但一旦生產成本飆升至數億美元，投資者就會撤資。

QuantumScape的最大股東是大眾汽車公司，這意味著這家全球最大的汽車製造商將成為其最初的客戶。2021年3月，在一個被稱為“電力日”的引人注目的公關活動上，大眾的高管們制定了一項計劃，將幾乎所有汽車都電氣化。這一轉變可能會花費數千億美元。

這一訊息使大眾股價當週上漲了23%，QuantumScape的股價也大幅飆升。大眾電池主管弗蘭克•布洛姆（Frank Blome）表示，固態電池是“鋰離子電池的最後階段”。

電池革命來得正是時候。各國政府正在加強監管以減少排放，每家汽車製造商都在爭先推出電動車型。辛格說：“拿一個最大的行業下手，來換掉這個行業的核心，這種情況非常罕見。這就是我們正在做的。”

但固態技術的進步並不能幫助減少排放，除非它能進入大眾市場。這是QuantumScape及其投資者必須跨越的第二個巨大創新鴻溝。不僅僅是秘密地創造了一種新的電池材料，而且要完善工業規模的生產，可以在短短几年內供應數十萬輛汽車。搞砸這兩個步驟中的任何一個都意味著又發明了一個失敗的電池。

“5年前，考慮到與固態電池相關的大量問題，人們曾懷疑它們是否能發揮作用，”彭博NEF能源儲存主管詹姆斯•弗里斯（James Frith）表示，“現在情況不再是這樣了。”

基本的電池創新需要超過一代人的時間，而辛格團隊開發的過程至少需要幾年時間，甚至可能更久。世界將需要更多的進步來應對氣候挑戰，這意味著許多技術將不得不盡可能快地將電弧從實驗室推向市場。這就是為什麼QuantumScape重新發明電池的嘗試可能會帶來真正的教訓，即使存在其技術無法實現的危險。

故事的開始

辛格是一名身材苗條的前馬拉松運動員，戴著錫克教頭巾。他出生在新德里，當他的父親在世界衛生組織擔任統計學家時，他來到了美國。他15歲開始上大學，在馬里蘭大學學習計算機科學，19歲時開始在惠普的資料通訊部門工作。6年後，他創立了自己的第一家公司。

▼加迪·辛格，QuantumScape公司創始人兼執行長

他對電池的痴迷始於駕駛一輛特斯拉跑車。那是2009年，未來以電池為動力的億萬富翁埃隆·馬斯克（Elon Musk）第一輛汽車上市不久之後。全球插電式汽車的數量仍有數千輛，要想用最新技術實現約200英里的行駛里程，唯一的辦法是在汽車上投入逾10萬美元。“我一直在想，這可能是汽車行業的未來，”53歲的辛格回憶他在北加州的開車經歷時說。“但必須有人制造出更好的電池。”

當時，辛格是一位連續創始人，他領導的第四家初創企業英菲朗公司（Infinera Corp。）成功進行了首次公開募股。英菲朗是一家光學資料傳輸裝置製造商。他決定辭職，並在矽谷傳奇人物、投資者維諾德•科斯拉（Vinod Khosla）運營的一家風險基金擔任“常駐企業家”的角色。

為了在電池方面有更好的基礎，辛格開始參加斯坦福大學的講座。2009年，他在那裡遇到了物理學家弗里德里希·普林茨（Friedrich Prinz）。普林茨的研究小組致力於原子尺度的能源問題。普林茨和一位名叫蒂姆·霍爾姆（Tim Holme）的研究生正在研究一種全電子電池，這種電池被認為是遠遠領先於當時的想法。

自1799年發明以來，電池一直是一種化學裝置，它可以來回穿梭帶電粒子（離子），將無質量的電子移動到外部，為裝置提供動力。斯坦福大學的兩位科學家想要去除體積龐大的離子，從理論上講，這種轉變可以讓更多的能量儲存在更小的空間裡。

這個想法很有吸引力，美國政府給了該實驗室150萬美元，霍爾姆稱之為“高風險、高回報”的研究專案。這些錢來自奧巴馬時代在金融危機期間透過的經濟刺激計劃。當時，特斯拉正在努力推出稍便宜一點的Model S轎車，但它將從同樣的刺激計劃中獲得數額大得多的貸款。

▼蒂姆·霍爾姆，QuantumScape的創始人兼首席技術官

支撐全電子電池的材料是一種量子點，這種量子點具有獨特的電學特性，這源於原子尺度上的奇異現象。2010年，霍爾姆和辛格成立了一家公司，普林茨加入了董事會。QuantumScape的早期投資來自一個全明星集團，包括比爾·蓋茨（Bill Gates）、科斯拉創投（Khosla Ventures）和凱鵬華盈（Kleiner Perkins）。

這家初創公司投入了少量初始投資，在聖何塞的北一街租用了一處寫字樓，租期為三年。“如果我們在三年內破產怎麼辦？”辛格回憶說。這不是一種不合理的焦慮。在接下來的幾年裡，他的電池創業公司接連失敗。

開啟電池的黑匣子

為了瞭解QuantumScape的軌跡，我們必須開啟電池的黑匣子。

內容物分為陽極、陰極、隔膜（防止陽極、陰極接觸，造成危險短路）和液體電解質（離子透過隔板流動）四部分。這種標準配置已經有兩個多世紀沒有改變了，鋰離子技術的化學成分在30年的修補中也沒有太大的變化。

陰極通常含有鈷。陽極幾乎總是由石墨（碳的一種形式）製成。液體電解質通常是碳基化學物質中的鋰鹽。隔膜是一種多孔塑膠薄片。“電池的化學成分變化得不是很快。”辛格說。

當QuantumScape開始研究全電子電池時，它就像從零開始一樣。如果工程師們取代了所有四種主要成分，會發生什麼？這就是量子點的偉大前景，它說服了從聯邦政府官員到微軟公司的聯合創始人的所有人，為一家初創公司投入數百萬美元，而這一理論首先將辛格帶到了斯坦福大學。

▼QuantumScape公司的電池裝在袋狀電池裡

但是這個偉大的想法沒有成功，QuantumScape在一年內就拋棄了量子點。辛格和霍爾姆很早就意識到，嘗試重新發明電池實在太難了。辛格說：“我們創辦這家公司的使命並不是基於某種特定的技術。”他堅持認為，其目標是製造一種密度更大、更安全、充電速度更快的電池，不管它是用什麼材料製成的。

因為第一次失敗來得太快，所以還剩下很多錢。當時，公司有大約30名員工，創始人做了任何矽谷人面對失敗的技術都會做的事：與資金人員開一場尷尬的會議，然後轉向其他東西。他們還想追求一個不那麼激進但仍然很有挑戰性的想法。

“我們告訴投資者，‘聽著，夥計們，我們不知道這種方法能否成功。但我們知道的是，如果它成功了，它就能改變世界。”辛格說，“幸運的是，核心投資者有足夠的遠見。”

到2012年的這個時候，除了安撫投資者之外，沒有任何切實的成功，卻產生了吸引更大投資者的離奇後果。普林斯讓QuantumScape引起了與他有關係的大眾高管的注意。

那時候大眾還沒有捲入2015年的排放門醜聞，在這次醜聞裡，該公司承認安裝了軟體，使其在實驗室排放測試中作弊。這一事件導致了超過300億美元的罰款，並最終迫使這家德國汽車製造商加速向電動汽車的轉型——速度如此之快，事實上，到明年，大眾的電動汽車銷量將超過特斯拉。

然而，10年前大眾還沒有推出全電動汽車。就在這個時候，特斯拉看起來不只是讓人討厭，或許還值得在電池驅動的未來上押上一筆小賭注。大眾最終將向QuantumScape投資3億美元。

▼在公司的材料實驗室

新的嘗試

辛格團隊的下一個電池想法受到了過去的啟發。第一個鋰離子電池是20世紀70年代由埃克森公司（Exxon Corp。）的研究人員發明的。那是石油輸出國組織實施石油禁運的時代，當時甚至連最大的石油公司之一都對汽油的未來心存疑慮。埃克森的原型電池陽極上有鋰金屬。在依賴於帶電鋰粒子的電池中，沒有比純金屬鋰更高能量密度的陽極了。

但全鋰設計帶來了一個棘手的問題。透過電子顯微鏡觀察電池，在原子水平上檢查材料，一個全鋰的陽極很可能覆蓋著一種叫做枝狀晶體（簡稱“枝晶”）的毛髮狀結構——這是電池工程師的大難。

這種奈米結構的強度足以擊穿電池的薄塑膠隔膜，到達陰極，造成短路和火災。因為電池是密集的高能材料，所以要想撲滅電池起火，比使用內燃機需要更多的水和小心。這也是埃克森美孚放棄電池研究而堅持油氣鑽探的原因之一。

研究人員在80年代發現石墨可以作為更穩定的陽極，它成為鋰離子電池的支柱，並開始出現在消費類產品中，如大塊頭的攝像機。儘管如此，在學術實驗室中，戰勝枝晶和迴歸鋰金屬的夢想從未破滅。

當QuantumScape開始考慮換一種方式時，科學家們有了一個可能解決這個問題的想法。這就引出了下一個大問題：固體電解質是否可以在不影響電池效能的情況下取代液體電解質？

實際上，每一家生產新型電池的公司都專注於新型材料。如果找不到新材料，就無法制造出辛格想要的電池。第一年的失敗讓人傷心，但並不意外。尋找能在極端條件下工作的材料是一個非常困難的問題。

當QuantumScape開始尋找固體電解質時，辛格和霍爾姆重新開始。研究小組列出了這種材料需要具備的特性：1）抵抗枝晶，2）使鋰離子能夠自由流動。“我們不知道自然界中是否存在一種材料可以滿足要求，”辛格說，“比我們找到它的可能性要小得多。”

為了應對這一挑戰，科學家們有一個終極武器：蠻力。進行儘可能多的實驗，從每次迭代中學習，並調整測試來執行更多的實驗。簡單明瞭，但昂貴且緩慢。幸運的是，QuantumScape擁有盈餘的現金。

辛格稱之為所有初創企業中最好的材料實驗室之一的實驗室就這樣開始了建設，該實驗室配備了可以處理大量資料的電腦。對於電池迷來說，無論你想研究哪種型別的電池，QuantumScape的實驗室都將是一個令人垂涎的工作場所。辛格誇口說，它的科學裝置只能被世界頂尖大學提供的裝置所擊敗。

▼防護裝備在實驗室裡至關重要

為了減少取得突破所需的時間（如果不是降低成本的話），該公司將科學工作變成了24/7的運作。這種做法一直延續到今天，已經持續了近10年，擁有300名員工。

創造一種新材料的過程首先是在超級計算機中塑造虛擬原型，並測試它們的理論能力，使之大致接近。這幾乎就像《星際迷航》中的複製器，能夠從龐大的資料庫中建立任何材料——只是數字化而已。這種由強大的計算支援的理論已經加速了整個物理科學的創新。

計算機研究縮小了QuantumScape實際需要製作的材料的範圍，儘管全天候的實驗室團隊仍然製作了幾十種不同的材料。辛格不願給出例子，但該公司的專利組合中充斥著聽起來很奇怪的物質，比如鋰、鑭、氧化鋯。

霍爾姆說，從2010年到2015年，該公司對這些材料進行了“數百萬次測試”。沒有一個有效。奈米級的毛髮纏繞著每一個電池。辛格說：“當你看到你嘗試過的每種材料仍在形成枝晶時，它會對你產生某種影響。說實話，有一段時間我感到很沮喪。我想，‘枝晶可能只是你解決不了的問題之一。’”

實驗室最終走了好運。它發現了兩種似乎對枝狀晶體有抵抗力的材料。兩個團隊在各自的材料上快速完成工作、友好競爭，隨後進行測試和改進。到2015年，QuantumScape已經確定了贏家。

辛格沒有透露更多關於這種材料的細節，只是說它是一種抗枝晶陶瓷，可以讓鋰離子“像高速公路一樣”透過。他還透露一些液體仍然留在陰極上，這意味著他的原型電池實際上是一種半固態電池。如果可能的話，完全消除液體，將是未來的一個目標，可能會進一步提高儲存容量。

找到材料只是工作的一半。QuantumScape花了接下來的五年時間，從2015年到2020年，試圖完善它。卡耐基梅隆大學機械工程系副教授文卡特·維斯瓦納坦（Venkat Viswanathan）說：“這看起來可能需要很長時間，但關鍵在於解決‘和’的問題需要多長時間。”維斯瓦納坦在QuantumScape擔任顧問。

QuantumScape發現，固體電解質需要滿足幾個“和”的標準：它必須允許鋰離子流動並阻止枝晶；它還必須足夠靈活，不會在電池內部破裂，並且易於大規模生產。

辛格換了一種說法：“你不可能在真實飛行條件下對機翼進行精確的壓力測試。你必須在更艱苦的條件下進行測試。”如果你想要電動汽車電池在15分鐘內充電，最好有足夠的空間來處理更快的充電而不會出現故障。

儘管科學上的障礙可能已經清除，但仍沒有證據表明QuantumScape已經解決了製造大眾汽車所需的新型材料所面臨的挑戰——大眾集團在2019年銷售了600多萬輛汽車，同時還保持了所有這些額外的質量。QuantumScape公司表示，距離將電池投入汽車測試還有將近三年的時間。如果一切順利，在2026年之前，不要指望在你當地的大眾經銷商那裡看到它。

工業化製造電池

即使是在電池製造方面，QuantumScape也面臨著很少有人敢於面對的挑戰。在過去的十年裡，沒有一家美國初創企業建立了自己的超級工廠（Gigafactory），這是馬斯克普及的一個術語，指的是每年生產十億瓦特小時電池的工廠，至少足夠20萬輛汽車使用。

在美國現有的所有大型電池工廠，要麼是由LG化學或SK創新等亞洲公司所有，要麼是與這些海外巨頭合作建造的，比如特斯拉-松下在內華達州里諾市郊外的第一家超級工廠。彭博NEF的弗里斯表示，之前的電池初創企業無法籌集到建造超級工廠所需的數十億美元，而是將技術授權給現有的生產商。

但這並不是QuantumScape的最終目標。2021年3月，該公司融資4。5億美元，目前坐擁近15億美元。到2023年，該公司計劃在聖何塞建立一個試驗製造工廠，在那裡可以為其他汽車製造商生產測試電池。

該設施還將開發應用程式，以反映消費電子公司和新興的飛行汽車行業日益增長的興趣。到2024年，該公司計劃與大眾汽車在一個尚未確定的地點建立一家大型工廠，開始向奧迪和保時捷等大眾品牌供應電池。

“這是一家公司用很多錢就能做到的事情，”弗里斯說。“隨著資金湧入整個行業，想象一下所有其他公司，無論是初創公司還是巨頭，都能實現什麼目標。”

這種競爭正在慢慢升溫。2021年3月，通用汽車公司宣佈，它正在與馬薩諸塞州的SolidEnergy Systems公司合作生產固態電池。同月，歐洲電池製造商Norhvolt公司收購了加州初創企業Cuberg。此前，福特和寶馬投資了科羅拉多州的初創企業Solid Power。戴姆勒公司正在與Blue Solutions合作研發固態電池技術。

其中一些競爭對手正在生產下一代電池，而不必面對QuantumScape為自己設定的挑戰。例如，Cuberg已經制造了一種鋰金屬電池，它可能克服了液態電解質的枝晶問題。

作為美國最大的上市電池公司也有壓力。當你每季度都要報告進展情況，並向投資者提供一點點透明度時——哪怕只是關於收入實現的等待時間——保密就變得更加困難了。

2020年12月，桑福德·伯恩斯坦公司的一位分析師警告說，QuantumScape的製造風險很高，之後該公司股價下跌了24%。2021年2月，當它比預期更早地宣佈了一項技術勝利時，股價上漲了17%。

“我們不會設定無法滿足的期望。”辛格說，“因為作為一家上市公司，如果你沒有達到預期，市場的反應會迅速而無情。”