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OCT
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股价暴涨30%！关于QuantumScape新产品你需要知道的一切 (官方说明)
情报焦点
QuantumScape 计划推出的首款商业产品 QSE-5 是一款约 5Ah 的电池，设计用于满足汽车应用的需求。本文将详细介绍该电池的各种规格元素，并解释关于能量密度这个看似简单的指标背后的复杂性。
能量密度：不仅仅是一个数字
对于关注电池行业的人来说，似乎总是有关于新电池创下能量密度纪录的新闻报道。然而，这些新闻很少提供必要的背景信息来解读这些数字。如果不清楚诸如电池尺寸和重量、放电速率、温度、充电状态和工作压力等因素，能量密度是无法在不同电池之间进行简单比较的。
我们先从基本数据开始：QSE-5 B 样品电池在 C/5 放电倍率和25°C的环境下，测得的电池能量为21.6Wh。这可以通过电池体积计算得出体积能量密度为 844 Wh/L，或者通过电池质量计算得出质量能量密度 (也称为比能量) 为 301 Wh/kg (包含了非电化学活性的结构件)。
但故事并未就此结束。首先，一些电池设计是为了优化更高的功率或更高的能量密度，这会影响给定电池的能量密度。但即便如此，在将能量密度从一个电池与另一个电池进行有意义的比较之前，还有一大套问题需要回答。我们逐一来解释这些问题。
电池尺寸
QSE-5 的电池尺寸是通过实际的 QSE-5 样品电池测量得出的，而不是基于预测或模型。许多电池开发商会使用其商业电池设计的小尺寸版本，并预测如果扩大到更大尺寸并优化封装效率时，能量密度会是多少，但这些预测是基于假设的，而这些假设未必准确。在评估能量密度声明时，总是要询问你看到的数字是关于未来产品的预测，还是对实际电池的测量。
一些关于能量密度的报告只涉及未封装的活性堆栈，包括电极和隔膜，但不包括外部封装材料，这有点像在计算三明治的卡路里时不包括面包。就像三明治一样，商业电池也必须包含一些材料来保持整体结构。由于所有商业电池必须用壳子或铝塑膜进行封装，活性堆栈能量密度指标难以解读，并且可能误导性地偏高。因此，我们测量的是完全封装的电池的能量密度。
即使是封装的电池，封装形式也很重要：例如，在测量圆柱形电池的体积时，通常包括整个电池罐，而在测量软包电池时，可能会排除电池顶部或侧面的薄薄的引出区域，因为这些引出端将被整合到更大的模块组件中。按照后者的方法，QSE-5 的体积测量排除了框架上方的顶部引出区域，但包括了其他三个边缘的折叠层压材料。
最后同样重要的是，电池的体积取决于其充电状态。即便是传统电池，当完全充电时也可能膨胀几个百分点；在使用硅负极的电池中，这种效应更加明显，而在使用锂金属负极的电池中，从0%到100%充电状态 (SoC) 之间的体积差异可能非常显著。重要的是，如果电池体积是在0%或30%充电状态下测量的，由于低充电状态下的电池体积较小，体积能量密度看起来也会更高。但从根本上讲，报告电池在0%充电状态下的能量密度没有意义，因为当电池完全放电时，它根本没有存储任何能量。我们报告的是 QSE-5 在100%充电状态下的能量密度，并且我们认为体积能量密度应该只在100%充电状态下报告，以便完全考虑到任何膨胀的影响。
放电倍率
我们的 QSE-5 B 样品的放电能量为 21.6Wh。然而，正如电池中的几乎所有事物一样，能量不能轻易简化为一个简单的数字。许多其他因素也会影响电池能够向终端用户提供的能量。
一个不太为人所知的因素是放电倍率，它直接与车辆加速度相关，影响测得的名义容量，即电池可以存储的电量。一个普遍的经验法则是，放电倍率越慢，电池能够提供的容量就越高。这意味着，如果名义容量是使用非常低的放电率来定义的，能量密度在纸面上可能看起来更高，而在实际应用中则不会。因此，名义容量应使用与电池可能实际使用方式相关的放电率来确定。
虽然电动汽车电池没有统一的标准放电率，但许多电动汽车电池公司使用 C/5 (五小时放电率) 来报告能量密度。在现实世界中，这大致相当于以70英里每小时的速度行驶350英里。我们认为这很好地反映了在车辆续航里程（因此能量密度）对驾驶员最重要的应用场景，这也是我们在发布 QSE-5 B 样品规格时使用的放电倍率。
如果使用更低的C速率，例如 C/20 (20小时放电倍率)，这种较慢的放电倍率会使电池能量密度看起来更高，而一些电池制造商已经使用如此慢的速率 (或更慢) 来报告其能量密度。然而，C/20 放电相当于以每小时17.5英里的速度行驶350英里，这并不是人们通常驾驶汽车的方式。因此，在评估能量密度声明时，始终重要的是确定能量密度是在什么放电率下测量的，并检查它是否与预期的应用相匹配。
温度
我们已经广泛讨论过温度对电池性能的影响，因此不应该感到惊讶，温度也会影响能量密度。尤其对于固态电池，诸如基于聚合物的固态电解质技术，通常需要在较高的温度下运行以克服固态电解质的离子电阻并提供高能量密度。能够在60°C下提供高能量密度，但在室温下表现不佳的电池技术，对于乘用电动汽车来说并没有太大用处。因此，能量密度规格应始终包括电池在何种温度下放电的温度；就 QSE-5 B 样品而言，这个温度为25°C (室温)。
工作压力和封装效率
所有锂离子电池在充电和放电时都会膨胀和收缩，但将它们组装成模块或电池包的结构通常不会变化。这意味着电池所承受的压力会根据充电状态变化，而电池所感受到的压缩力会影响其体积。就 QSE-5 而言，该电池设计用于在低于3.4个大气压的压力下运行，并且体积能量密度数据反映了电池在100%充电状态下，当其组装到固定体积的模块中时的尺寸。
QSE-5 采用 FlexFrame 格式，这是一种传统方壳和软包设计的混合形式，允许每个电池紧密地靠近相邻电池进行封装。相比之下，流行的圆柱形格式由于基本的电池几何结构，当组装到电池包体积中时，其能量密度会减少约9%。这意味着圆柱形电池的单元级体积能量密度数据在系统级别可能会略微高估在整车电池包中实现的能量密度。
能量密度检查问题集
虽然能量密度是最常报告的电池指标之一，但其中涉及的复杂性不能简单地归结为一个数字。因此，我们创建了一个有用的检查问题集，作为评估能量密度声明的完整性和可比性的指南。
QSE-5 B 样品
- 这些数据是测量的还是预测的？测量数据
- 电池是否完全封装？完全封装
- 电池的任何部分是否被排除（引出端等）？排除引出区域
- 电池体积是在哪个充电状态下测量的？100%充电状态
- 放电率是多少？C/5
- 放电温度是多少？25°C
- 工作压力是多少？< 3.4个大气压
- 电池格式是什么？FlexFrame
总而言之，QSE-5 B 样品代表了电池技术的重大进展，也是QuantumScape的一个重要里程碑。其令人印象深刻的能量密度也提供了一个例子，说明了在汽车应用中实现能量密度时，电池的物理尺寸、放电率、温度和工作压力等个别因素的重要性。
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新闻来源 | batteriesnews
封面配图 | quantumscape
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