亿万富翁辛格：要成功先熟知失败的滋味

几十年来，学术界、初创企业和企业研发团队一直在寻找电池的未来——很有可能，只是一片薄薄的陶瓷材料，柔韧到可以在两根手指之间弯曲。

但除了硅谷一家的初创公司，没有人被允许知道它是由什么组成的。甚至这种人造物质的颜色也是一个严格保密的秘密，所以它当然也从来没有被独立分析过。

这种电池材料早在被应用到一辆电动车之前，就已经让加迪·辛格（Jagdeep Singh）成为亿万富翁了。

他的公司QuantumScape在2020年年底走出了秘密模式，公开上市，获得了有前景的数据支持，但没有商业产品，也没有收入。

很快，该公司的估值就超过了福特汽车公司，而后者在2020年最后一个季度在美国销售了50多万辆轿车和卡车。

辛格和他的团队声称，电池的飞跃有望使电动汽车的续航里程比目前的锂离子技术延长50%，同时将长途驾驶的充电时间缩短至15分钟。

华尔街对特殊目的收购公司（简称SPAC）狂热追捧的投资者，似乎特别青睐那些没有利润的电池相关初创公司。QuantumScape的市值目前约为200亿美元。

电池革命来的正是时候

要理解其中的原因，你需要看看电池本身的组成。在QuantumScape的故事中，数百名工程师和科学家在实验室里24小时连轴转地工作，重新想象现代锂离子电池中的每个原子。直到最近也没有向公众展示了任何具体的东西，甚至连谁做了什么都不知道。

▼但是，电池到底是什么样？

“我不想透露他们的名字，”担任首席执行官的联合创始人之一辛格说，“因为我不想冒被别人挖走的风险。”该公司甚至要求摄影师在拍摄照片之前使用变色滤镜，以免材料的真实色调暴露出来。

保密是电池开发的标准。这是因为，QuantumScape并不是唯一一个在追求这一目标的公司：Solid Power、Prologiom Technology和Ilika等初创公司，以及丰田汽车和三星电子等大公司，都在努力争夺下一代能源存储这一艰巨的大奖。

想想锂离子电池，经过少量的更新，自1991年首次商业化使用以来，已经占领了世界，为从消费设备到电网的所有设备供电。仅在过去的10年里，电池的成本就下降了90%以上，而电池的性能每年只提高了一点点。这些增量来自于缓慢减少存储等量能量所需的材料数量，或略微调整化学成分。

QuantumScape声称已经完全替换了锂离子电池中四种主要材料中的两种。辛格说：“用这种化学方法设想未来几十年不是不可能的。”他的目标是从根本上升级电动汽车，并将电池的应用范围扩大到飞行出租车等其他技术。

也许，除了所有的秘密之外，窥视电池未来的最大障碍是，我们很少有人知道电池是如何进化的。在电动汽车内部踩下油门踏板，表面上的情况与之前几乎一样。但里面发生了什么？这是一般特斯拉的超级粉丝可能很难描述的。这很奇怪，因为数以亿计的成年人整天随身携带着同样的锂离子技术，每晚都睡在它旁边。

▼用于成分分析的显微镜

电池无形的内部生命包括数万亿个带电的锂离子在两个电极（阴极和阳极）之间流动，这使得快速移动成为可能。将电动汽车或智能手机充电，反过来也会发生同样的事情。就像轮胎会随着使用而磨损一样，电池的一大块组成原子每次来回旋转都会导致电池退化。

QuantumScape公司所承诺的突破性进展，只得到了2020年12月以来公布的有限初步数据的支持。这在很大程度上是通过用固体电解质取代液态电解质而实现的——这是一个长期寻求的成就，并将获得一个新名字：固态电池。

但相信别人看不见的发明会带来惊人的风险。很少有电池初创公司会让自己的技术接受独立验证，因此几乎不可能进行比较。关于过度炒作电池进步的警示故事随处可见。

英国家电制造商戴森有限公司不得不减记9000万美元收购初创公司Sakti3的资产，该公司曾承诺生产固态电池。据推测，Pellion技术公司开发了下一代锂电池，但一旦生产成本飙升至数亿美元，投资者就会撤资。

QuantumScape的最大股东是大众汽车公司，这意味着这家全球最大的汽车制造商将成为其最初的客户。2021年3月，在一个被称为“电力日”的引人注目的公关活动上，大众的高管们制定了一项计划，将几乎所有汽车都电气化。这一转变可能会花费数千亿美元。

这一消息使大众股价当周上涨了23%，QuantumScape的股价也大幅飙升。大众电池主管弗兰克•布洛姆（Frank Blome）表示，固态电池是“锂离子电池的最后阶段”。

电池革命来得正是时候。各国政府正在加强监管以减少排放，每家汽车制造商都在争先推出电动车型。辛格说：“拿一个最大的行业下手，来换掉这个行业的核心，这种情况非常罕见。这就是我们正在做的。”

但固态技术的进步并不能帮助减少排放，除非它能进入大众市场。这是QuantumScape及其投资者必须跨越的第二个巨大创新鸿沟。不仅仅是秘密地创造了一种新的电池材料，而且要完善工业规模的生产，可以在短短几年内供应数十万辆汽车。搞砸这两个步骤中的任何一个都意味着又发明了一个失败的电池。

“5年前，考虑到与固态电池相关的大量问题，人们曾怀疑它们是否能发挥作用，”彭博NEF能源存储主管詹姆斯•弗里斯（James Frith）表示，“现在情况不再是这样了。”

基本的电池创新需要超过一代人的时间，而辛格团队开发的过程至少需要几年时间，甚至可能更久。世界将需要更多的进步来应对气候挑战，这意味着许多技术将不得不尽可能快地将电弧从实验室推向市场。这就是为什么QuantumScape重新发明电池的尝试可能会带来真正的教训，即使存在其技术无法实现的危险。

故事的开始

辛格是一名身材苗条的前马拉松运动员，戴着锡克教头巾。他出生在新德里，当他的父亲在世界卫生组织担任统计学家时，他来到了美国。他15岁开始上大学，在马里兰大学学习计算机科学，19岁时开始在惠普的数据通信部门工作。6年后，他创立了自己的第一家公司。

▼加迪·辛格，QuantumScape公司创始人兼首席执行官

他对电池的痴迷始于驾驶一辆特斯拉跑车。那是2009年，未来以电池为动力的亿万富翁埃隆·马斯克（Elon Musk）第一辆汽车上市不久之后。全球插电式汽车的数量仍有数千辆，要想用最新技术实现约200英里的行驶里程，唯一的办法是在汽车上投入逾10万美元。“我一直在想，这可能是汽车行业的未来，”53岁的辛格回忆他在北加州的开车经历时说。“但必须有人制造出更好的电池。”

当时，辛格是一位连续创始人，他领导的第四家初创企业英菲朗公司（Infinera Corp.）成功进行了首次公开募股。英菲朗是一家光学数据传输设备制造商。他决定辞职，并在硅谷传奇人物、投资者维诺德•科斯拉（Vinod Khosla）运营的一家风险基金担任“常驻企业家”的角色。

为了在电池方面有更好的基础，辛格开始参加斯坦福大学的讲座。2009年，他在那里遇到了物理学家弗里德里希·普林茨（Friedrich Prinz）。普林茨的研究小组致力于原子尺度的能源问题。普林茨和一位名叫蒂姆·霍尔姆（Tim Holme）的研究生正在研究一种全电子电池，这种电池被认为是远远领先于当时的想法。

自1799年发明以来，电池一直是一种化学设备，它可以来回穿梭带电粒子（离子），将无质量的电子移动到外部，为设备提供动力。斯坦福大学的两位科学家想要去除体积庞大的离子，从理论上讲，这种转变可以让更多的能量储存在更小的空间里。

这个想法很有吸引力，美国政府给了该实验室150万美元，霍尔姆称之为“高风险、高回报”的研究项目。这些钱来自奥巴马时代在金融危机期间通过的经济刺激计划。当时，特斯拉正在努力推出稍便宜一点的Model S轿车，但它将从同样的刺激计划中获得数额大得多的贷款。

▼蒂姆·霍尔姆，QuantumScape的创始人兼首席技术官

支撑全电子电池的材料是一种量子点，这种量子点具有独特的电学特性，这源于原子尺度上的奇异现象。2010年，霍尔姆和辛格成立了一家公司，普林茨加入了董事会。QuantumScape的早期投资来自一个全明星集团，包括比尔·盖茨（Bill Gates）、科斯拉创投（Khosla Ventures）和凯鹏华盈（Kleiner Perkins）。

这家初创公司投入了少量初始投资，在圣何塞的北一街租用了一处写字楼，租期为三年。“如果我们在三年内破产怎么办？”辛格回忆说。这不是一种不合理的焦虑。在接下来的几年里，他的电池创业公司接连失败。

打开电池的黑匣子

为了了解QuantumScape的轨迹，我们必须打开电池的黑匣子。

内容物分为阳极、阴极、隔膜（防止阳极、阴极接触，造成危险短路）和液体电解质（离子通过隔板流动）四部分。这种标准配置已经有两个多世纪没有改变了，锂离子技术的化学成分在30年的修补中也没有太大的变化。

阴极通常含有钴。阳极几乎总是由石墨（碳的一种形式）制成。液体电解质通常是碳基化学物质中的锂盐。隔膜是一种多孔塑料薄片。“电池的化学成分变化得不是很快。”辛格说。

当QuantumScape开始研究全电子电池时，它就像从零开始一样。如果工程师们取代了所有四种主要成分，会发生什么？这就是量子点的伟大前景，它说服了从联邦政府官员到微软公司的联合创始人的所有人，为一家初创公司投入数百万美元，而这一理论首先将辛格带到了斯坦福大学。

▼QuantumScape公司的电池装在袋状电池里

但是这个伟大的想法没有成功，QuantumScape在一年内就抛弃了量子点。辛格和霍尔姆很早就意识到，尝试重新发明电池实在太难了。辛格说：“我们创办这家公司的使命并不是基于某种特定的技术。”他坚持认为，其目标是制造一种密度更大、更安全、充电速度更快的电池，不管它是用什么材料制成的。

因为第一次失败来得太快，所以还剩下很多钱。当时，公司有大约30名员工，创始人做了任何硅谷人面对失败的技术都会做的事：与资金人员开一场尴尬的会议，然后转向其他东西。他们还想追求一个不那么激进但仍然很有挑战性的想法。

“我们告诉投资者，‘听着，伙计们，我们不知道这种方法能否成功。但我们知道的是，如果它成功了，它就能改变世界。”辛格说，“幸运的是，核心投资者有足够的远见。”

到2012年的这个时候，除了安抚投资者之外，没有任何切实的成功，却产生了吸引更大投资者的离奇后果。普林斯让QuantumScape引起了与他有关系的大众高管的注意。

那时候大众还没有卷入2015年的排放门丑闻，在这次丑闻里，该公司承认安装了软件，使其在实验室排放测试中作弊。这一事件导致了超过300亿美元的罚款，并最终迫使这家德国汽车制造商加速向电动汽车的转型——速度如此之快，事实上，到明年，大众的电动汽车销量将超过特斯拉。

然而，10年前大众还没有推出全电动汽车。就在这个时候，特斯拉看起来不只是让人讨厌，或许还值得在电池驱动的未来上押上一笔小赌注。大众最终将向QuantumScape投资3亿美元。

▼在公司的材料实验室

新的尝试

辛格团队的下一个电池想法受到了过去的启发。第一个锂离子电池是20世纪70年代由埃克森公司（Exxon Corp.）的研究人员发明的。那是石油输出国组织实施石油禁运的时代，当时甚至连最大的石油公司之一都对汽油的未来心存疑虑。埃克森的原型电池阳极上有锂金属。在依赖于带电锂粒子的电池中，没有比纯金属锂更高能量密度的阳极了。

但全锂设计带来了一个棘手的问题。通过电子显微镜观察电池，在原子水平上检查材料，一个全锂的阳极很可能覆盖着一种叫做枝状晶体（简称“枝晶”）的毛发状结构——这是电池工程师的大难。

这种纳米结构的强度足以击穿电池的薄塑料隔膜，到达阴极，造成短路和火灾。因为电池是密集的高能材料，所以要想扑灭电池起火，比使用内燃机需要更多的水和小心。这也是埃克森美孚放弃电池研究而坚持油气钻探的原因之一。

研究人员在80年代发现石墨可以作为更稳定的阳极，它成为锂离子电池的支柱，并开始出现在消费类产品中，如大块头的摄像机。尽管如此，在学术实验室中，战胜枝晶和回归锂金属的梦想从未破灭。

当QuantumScape开始考虑换一种方式时，科学家们有了一个可能解决这个问题的想法。这就引出了下一个大问题：固体电解质是否可以在不影响电池性能的情况下取代液体电解质？

实际上，每一家生产新型电池的公司都专注于新型材料。如果找不到新材料，就无法制造出辛格想要的电池。第一年的失败让人伤心，但并不意外。寻找能在极端条件下工作的材料是一个非常困难的问题。

当QuantumScape开始寻找固体电解质时，辛格和霍尔姆重新开始。研究小组列出了这种材料需要具备的特性：1）抵抗枝晶，2）使锂离子能够自由流动。“我们不知道自然界中是否存在一种材料可以满足要求，”辛格说，“比我们找到它的可能性要小得多。”

为了应对这一挑战，科学家们有一个终极武器：蛮力。进行尽可能多的实验，从每次迭代中学习，并调整测试来执行更多的实验。简单明了，但昂贵且缓慢。幸运的是，QuantumScape拥有盈余的现金。

辛格称之为所有初创企业中最好的材料实验室之一的实验室就这样开始了建设，该实验室配备了可以处理大量数据的电脑。对于电池迷来说，无论你想研究哪种类型的电池，QuantumScape的实验室都将是一个令人垂涎的工作场所。辛格夸口说，它的科学设备只能被世界顶尖大学提供的设备所击败。

▼防护装备在实验室里至关重要

为了减少取得突破所需的时间（如果不是降低成本的话），该公司将科学工作变成了24/7的运作。这种做法一直延续到今天，已经持续了近10年，拥有300名员工。

创造一种新材料的过程首先是在超级计算机中塑造虚拟原型，并测试它们的理论能力，使之大致接近。这几乎就像《星际迷航》中的复制器，能够从庞大的数据库中创建任何材料——只是数字化而已。这种由强大的计算支持的理论已经加速了整个物理科学的创新。

计算机研究缩小了QuantumScape实际需要制作的材料的范围，尽管全天候的实验室团队仍然制作了几十种不同的材料。辛格不愿给出例子，但该公司的专利组合中充斥着听起来很奇怪的物质，比如锂、镧、氧化锆。

霍尔姆说，从2010年到2015年，该公司对这些材料进行了“数百万次测试”。没有一个有效。纳米级的毛发缠绕着每一个电池。辛格说：“当你看到你尝试过的每种材料仍在形成枝晶时，它会对你产生某种影响。说实话，有一段时间我感到很沮丧。我想，‘枝晶可能只是你解决不了的问题之一。’”

实验室最终走了好运。它发现了两种似乎对枝状晶体有抵抗力的材料。两个团队在各自的材料上快速完成工作、友好竞争，随后进行测试和改进。到2015年，QuantumScape已经确定了赢家。

辛格没有透露更多关于这种材料的细节，只是说它是一种抗枝晶陶瓷，可以让锂离子“像高速公路一样”通过。他还透露一些液体仍然留在阴极上，这意味着他的原型电池实际上是一种半固态电池。如果可能的话，完全消除液体，将是未来的一个目标，可能会进一步提高存储容量。

找到材料只是工作的一半。QuantumScape花了接下来的五年时间，从2015年到2020年，试图完善它。卡耐基梅隆大学机械工程系副教授文卡特·维斯瓦纳坦（Venkat Viswanathan）说：“这看起来可能需要很长时间，但关键在于解决‘和’的问题需要多长时间。”维斯瓦纳坦在QuantumScape担任顾问。

QuantumScape发现，固体电解质需要满足几个“和”的标准：它必须允许锂离子流动并阻止枝晶；它还必须足够灵活，不会在电池内部破裂，并且易于大规模生产。

辛格换了一种说法：“你不可能在真实飞行条件下对机翼进行精确的压力测试。你必须在更艰苦的条件下进行测试。”如果你想要电动汽车电池在15分钟内充电，最好有足够的空间来处理更快的充电而不会出现故障。

尽管科学上的障碍可能已经清除，但仍没有证据表明QuantumScape已经解决了制造大众汽车所需的新型材料所面临的挑战——大众集团在2019年销售了600多万辆汽车，同时还保持了所有这些额外的质量。QuantumScape公司表示，距离将电池投入汽车测试还有将近三年的时间。如果一切顺利，在2026年之前，不要指望在你当地的大众经销商那里看到它。

工业化制造电池

即使是在电池制造方面，QuantumScape也面临着很少有人敢于面对的挑战。在过去的十年里，没有一家美国初创企业建立了自己的超级工厂(Gigafactory)，这是马斯克普及的一个术语，指的是每年生产十亿瓦特小时电池的工厂，至少足够20万辆汽车使用。

在美国现有的所有大型电池工厂，要么是由LG化学或SK创新等亚洲公司所有，要么是与这些海外巨头合作建造的，比如特斯拉-松下在内华达州里诺市郊外的第一家超级工厂。彭博NEF的弗里斯表示，之前的电池初创企业无法筹集到建造超级工厂所需的数十亿美元，而是将技术授权给现有的生产商。

但这并不是QuantumScape的最终目标。2021年3月，该公司融资4.5亿美元，目前坐拥近15亿美元。到2023年，该公司计划在圣何塞建立一个试验制造工厂，在那里可以为其他汽车制造商生产测试电池。

该设施还将开发应用程序，以反映消费电子公司和新兴的飞行汽车行业日益增长的兴趣。到2024年，该公司计划与大众汽车在一个尚未确定的地点建立一家大型工厂，开始向奥迪和保时捷等大众品牌供应电池。

“这是一家公司用很多钱就能做到的事情，”弗里斯说。“随着资金涌入整个行业，想象一下所有其他公司，无论是初创公司还是巨头，都能实现什么目标。”

这种竞争正在慢慢升温。2021年3月，通用汽车公司宣布，它正在与马萨诸塞州的SolidEnergy Systems公司合作生产固态电池。同月，欧洲电池制造商Norhvolt公司收购了加州初创企业Cuberg。此前，福特和宝马投资了科罗拉多州的初创企业Solid Power。戴姆勒公司正在与Blue Solutions合作研发固态电池技术。

其中一些竞争对手正在生产下一代电池，而不必面对QuantumScape为自己设定的挑战。例如，Cuberg已经制造了一种锂金属电池，它可能克服了液态电解质的枝晶问题。

作为美国最大的上市电池公司也有压力。当你每季度都要报告进展情况，并向投资者提供一点点透明度时——哪怕只是关于收入实现的等待时间——保密就变得更加困难了。

2020年12月，桑福德·伯恩斯坦公司的一位分析师警告说，QuantumScape的制造风险很高，之后该公司股价下跌了24%。2021年2月，当它比预期更早地宣布了一项技术胜利时，股价上涨了17%。

“我们不会设定无法满足的期望。”辛格说，“因为作为一家上市公司，如果你没有达到预期，市场的反应会迅速而无情。”