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《中国制造2025》明确了动力电池的发展规划：2020年，电池能量密度达到300Wh/kg（这个作为国家重大项目已经完成，其中CATL，国轩，力神以及中航均实现300Wh/kg电芯，且循环超过1500次，成本0.8元/Wh）。2025年，电池能量密度达到400Wh/kg；2030年，电池能量密度达到500Wh/kg。与此同时，美国从2016年开始了Battery 500联盟项目，一期投资5000万美元，旨在开发能量密度500Wh/kg的电池以及相关材料。并在2021年12月启动了Battery 500联盟的第二阶段（总投资7500万美元），旨在推进研发能力，建立国内锂基电池的供应链。日本新能源和工业技术开发组织（NEDO）部署的"电动汽车创新电池开发（RISING II）"计划的目标也是2030年将电动车用电池能量密度提升到500Wh/kg。几大主要电池国家都不约而同将电池的比能量目标定在了500Wh/kg, 那么目前的进展和应用前景如何，本文带你一探究竟。
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图片来源于中科院物理所李泓老师公开报告
1. 2021年Enpower公布520Wh/kg锂金属软包电池 虽然宁德时代在4月份上海车展期间发布了凝聚态电池，号称电芯能量密度最高可达500Wh/kg, 但最早实现500Wh/kg电池的却另有他人。Enpower这家公司创办于2012年，在日本，美国，中国都有办事处，并得到了软银的投资。早在2021年10月，恩力动力就成功研制出了520Wh/kg的锂金属电池(体积能量密度1100Wh/L)，采用锂金属电极界面控制技术以及独特的电解液/质配方，容量为3.6Ah, 重量约为26.5g, 平均电压3.85V, 工作电压范围3.0~4.3V, 根据放电曲线以及电压来看，正极应该采用了超高镍的三元材料，负极是锂金属，按照正极克容量发挥220mAh/g以及电压3.85V来分析，正极活性材料质量占比要达到61.4%左右才能实现电芯比能量520Wh/kg（关于能量密度的分析请参考锂离子电池之-高能量密度的宿命）. 根据之前对Amprius电池的分析，其正极材料占比可高达65%，所以这个61.4%的质量占比应该是可以实现的。 2. 2023年初Amprius公布500Wh/kg硅基软包电池 美国专注于硅纳米线的Amprius公司于2023年3月公布其最新的开发的锂电池，经过第三方试验室(Mobile Power Solutions)的测试，能量密度超过了500Wh/kg,在30% SOC下，体积能量密度高达1300Wh/L(这个要比锂金属电池的1100Wh/L还要高)。之前的文章已经分析过(500Wh/kg超高比能电池是如何实现的)，这款电芯采用硅基负极，工作电压范围是2.4~4.37V，正极也是高镍三元。但由于其电压较低，只有3.45V，需要正极材料质量占比超过65%才能实现>500Wh/kg的比能量。其正极面密度很高，导致倍率性能较差，放电0.1C,充电截至倍率仅为0.01C(小于正常的0.05C). 而且由于电芯较小,集流体铜箔以及铝箔的质量占比较高，大概率是采用了复合铜箔以及复合铝箔的技术进行减重，这样才能更好地提高正极活性材料的质量占比。 3. 2023年4月CATL公布500Wh/kg凝聚态电池（应该也是软包） CATL在2023年4月举办的上海车展上发布了凝聚态电池，最高能量密度可达500Wh/kg, 结合了高动力仿生凝聚态电解质，高比能正极，新型负极，隔离膜以及生产工艺的优化。从字面意思理解，新型负极以及生产工艺优化，如果要达到500Wh/kg的比能，大概率需要采用锂金属负极。前面已经提到过，恩力动力使用超高镍三元加锂金属负极可以实现520Wh/kg的能量密度，但凝聚态电池要应用到电动飞机上，安全第一，高镍三元的安全堪忧，最近杭州收费站碰撞即燃烧的大众ID.4采用的是811正极，如果是Ni90以上的正极材料，那么安全性能会更差。根据中科院物理所的模型计算，要实现500Wh/kg的能量密度，除了高镍三元之外，高电压钴酸锂(LCO-4.5V)以及高容量富锂锰也是可选择的路线，前者安全性能可能比高镍还要差，后者就略好一些。北京大学夏定国老师近几年通过一系列的分析和改性，富锂锰材料的首次放电克容量达到了300mAh/g, 平均电压在3.45V左右，其材料理论比容量达到了1035Wh/kg, 只要正极材料占比达到50%以上就可实现全电池500Wh/kg的能量密度， 虽然富锂锰材料的密度要比三元还要低一点，但实现50%质量占比还是相对容易很多。而且夏老师通过改性已经改善了该材料电压衰减和循环较差的问题，电解液的匹配也越来越好，说不定CATL就是在富锂锰基正极的基础上达到500Wh/kg能量密度的。如果凝聚态对安全改善很明显的话，也可能是超高镍三元，因为体系更加成熟。（备注：NCA材料的理论克容量是低于NCM的，因为Al的存在锁住了一些容量，所以下表中的计算如果把NCA改成NCM加上金属锂负极是有望达到500Wh/kg的）![]()
图片来源于中科院物理所李泓老师公开报告 500Wh/kg的电池需要通过材料以及电池设计的极限优化才能实现。材料方面，目前的锂电池正极材料都是Li+M+Oxide的形式：首先因为负极不含有锂，正极材料中一定要有锂；其次由于是氧化还原反应，必须要有可变价态，所以还要有过渡金属。而锂跟过渡金属都是正价，且过渡金属价态较高，一般是+3价左右，所以至少还需要2个O原子。这样一来，合适的正极材料至少也得是LiMO2,所以说在最大转移1摩尔 Li的情况下，层状材料的克容量是最高的，是高比能电池的首选。作为对比，尖晶石材料LiMn2O4, 相当于只转移了0.5mole的锂(Li0.5MnO2)，理论容量较低。而LiFePO4, 额外增加了PO2的重量，所以理论比容量也比较低。前面通过分析已经得知，层状材料中高电压的LCO以及高容量的高镍三元都能实现500Wh/kg的能量密度，但是这两种材料的安全性都很差，热分解释氧温度会在150℃以下，且热失控最高温度能达到800℃以上，所以虽然能够实现高比能，却保证不了高安全，还需要开发新的材料体系。 973专家曾提出多电子、轻元素是锂离子电池实现高比能的重要方向。上面提到的那些材料最多转移1摩尔的锂，如果可以提高摩尔数，那么能量密度就会提高，沿着这个方向发展，富锂锰材料应运而生，其结构基本是xLi2MO3· (1-x)LiM’O2, 其中后面的M’就是三元材料Ni/Co/Mn的随机组合，而前面的M主要是Mn，所以这种材料叫做富锂锰基。当x=1时，该材料含有2mol的锂，分子式为Li2MO3, 就是Li2O·MO2 （其中M是4价的，可不参与反应），这样就是Li2O的氧化还原反应，而MO2主要起稳定结构的作用，材料理论克容量高达460mAh/g。但实际上为了实现可逆，是不可能实现2mol锂转移的，一定要增加后面的层状氧化物LiM’O2来进一步稳定结构，我们假设x=0.6, 那么对应1.6mol的锂以及400mAh/g的容量，已经跟夏老师文章中报道的首次400mAh/g很接近了。可见提到锂离子(电子)转移数对于材料容量以及能量的提升是很明显的。需要注意的是，富锂锰材料要实现高容量，必须提高上限电压，一般的工作电压范围是2.0~4.8V，平均电压在3.4~3.5V左右。 富锂锰基材料是通过多原子转移实现的高容量，实际上我们还可以通过使用较轻的元素来实现高容量，因为克容量的公式是specific capacity= n*F/M, 其中n代表转移的电子数，F是法拉第常数，M是材料的相对分子质量。这条路线最为激进的当属锂空气电池，也就是Li跟O2的反应，但是其可逆性特别差，在此不过多讨论。退而求其次，南京大学周豪慎老师采用纳米催化剂(Ir/Ni), 成功实现了Li2O与Li2O2之间的氧化还原反应，既实现了两个电子转移，也实现了材料的轻量化（只有氧，没有过渡金属），理论克容量接近900mAh/g, 实际能实现750mAh/g 并成功做出了5.5Ah，513Wh/kg的软包电池，循环100次容量保持率接近80%。醚类电解液的应用，Ni基碳合金（carbon-alloy-catalyst,
CAC）导电+催化框架结构的突破，成功实现了Li2O的可逆反应，这是电池领域的重大突破。该课题组通过醚类电解液还实现了NCM811无负极电池的开发，也具备很强的创新性和学术价值。![]()
图片内容源于南京大学周豪慎老师发表文章(Joule,2020) 综上，即使不考虑商业价值，500Wh/kg电池的研发也有很多学术价值，能够不断地拓展高容量材料的边界，并通过研发来改善材料的不足，以实现高比能，低成本，高安全的电池体系。尤其是南京大学周老师的Li2O电池，创造性的利用其多电子轻元素的特性，并将催化的成果应用于电池，实现了Li2O活性材料高达750 mAh/g的可逆“安全”充电深度和513.5Wh/kg的能量密度。在富锂锰基材料上，美国的UCSD的Shirley Meng研究了很久，国内北京大学夏定国老师，中科院宁波材料所的夏永高老师也都做了很多工作。产业化方面，美国的Envia system公司在2012年就拿到了通用汽车的投资并为其开发高比能锂电池，但后面没有开发成功，后面该公司改名为Zenlab并被正力收购控股【正力新能还收购了塔菲尔，前段时间接连获得上汽大通（重卡、轻卡、房车），量纲55.68GWh；上汽通用（PHEV），量纲9GWh等多个重点动力电池项目独家定点】。国内宁波富锂公司很早就推出了富锂锰基产品，浙江遨优动力进行了产业化的尝试，电芯采用跟三元复合的方式，使用电压将为4.3V, 用来降低成本，提高安全。虽然最后由于资金链的原因没有成功，但依然积累了经验。宁夏汉尧富锂科技也实现了富锂材料的批量生产和出货，在碳酸锂15万每吨的情况下，其单位Wh成本能够与LFP持平（因为富锂材料使用锂比较多，如果锂盐价格太高其成本会上涨很大），未来有望跟铁锂竞争。 在CTP技术的加持下，目前纯电动汽车的续航里程已经超过了1000km,其中极氪001麒麟电池版本已经可以交付，140kWh的能量，1032km的续航，电芯比能量285Wh/kg, 电池包的能量密度是205Wh/kg左右.可见电芯比能<300Wh/kg就已经满足了电动汽车续航千里的要求了。对于电动汽车，在满足续航的前提下，成本和安全是消费者更加看重的，也就是说，只要满足了基本需求，续航够用即可。在此基础上继续增加续航，其边际效应递减，对用户体验没有明显提升。500Wh/kg的电芯即便保证了高比能和高安全（凝聚态电池号称可以），成本，功率，循环寿命等方面也很难兼顾，所以车用的希望相对渺茫。除了车用以外，3C电子产品也是很重要的应用场景。恩力动力，Amprius等公司开发的小软包电芯也更接近3C的使用场景。不过3C场景更看重体积能量密度，所以硅基材料的前景比锂金属更好一些。 此外，民用以及军用航空器是500Wh/kg电池最合适的应用场景了，其对体积比能力要求不高，但对质量比能量要求很高。2023年5月，美国空军授予初创公司乔迪航空（Joby Aviation）一份合同，向美国空军交付9架“电动飞行出租车电动垂直起降飞机”（eVTOL，Electric Air
Taxi Electrical Vertical Take-Off and Landing），用于展示一系列潜在军事应用，包括物资运输、人员运输和紧急医疗响应等。更早些时候，Google以及Facebook等公司还开发了”高空伪卫星”(HAPS)来给偏远地区提供WiFi服务，这种飞行器对电池能量密度要求很高，但是寿命要求较低，因为每隔一段时间飞机会回到地面进行维护保养。此外，民用载人飞机(eVOLT)也是重要的市场，包括飞行汽车（例如小鹏汇天）等, 据摩根士丹利研报预计,2030 年,eVTOL行业将形成 3000 亿美元的市场规模.国内众多电池厂都提前开始布局，2023年5月，正力新能召开技术发布会，推出了能量密度320Wh/kg的航空电池，采用NCM
30Ah三元材料。孚能科技早在2021年就与国际知名电动飞行器制造商合作，用于eVTOL的电池产品已量产，搭载285Wh/kg电芯，飞行时间43分钟，飞行速度320km/h,飞行距离250km，已完成了载人电动飞行器的飞行测试。宁德时代2023年4月宣布，公司的凝聚态电池单体能量密度高达500Wh/kg，正在进行民用电动载人飞机项目的合作开发。这些公司主要都在使用三元电池，因为eVOLT看重安全性(载人)、低温性能(高空温度相对低)、能量密度(轻量化)、瞬间充放电倍率(起飞和落地倍率大)等要素，从这些点出发，三元都能匹配上。2023年2月，作为国内自主研制的首架四座电动飞机(RX4E)动力锂电池热失控试验顺利完成, 适航审定工作已经进入到最终冲刺的验证阶段,有望在23年完成取证工作，扶摇而起，展翅翱翔在祖国的万里蓝天。而近期彭博社报道，拜登政府5月16日表示要就eVOLT飞行出租车等先进交通工具制定国家战略，这对于超高比能电池也是很大的利好。![]()
小结：500Wh/kg的电池是中美日等国家先进电池路线的必争之地，目前都取得了相应的进展。虽然其在动力电池领域应用的概率很低，但开发过程中会积累很多知识和经验，既能为下一代高比能电池做铺垫，也能用在现有的体系中降低成本并改善安全。此外，目前锂电池已经征服了地面的车辆，江河上的船舶应用也已经开启，唯独天上的大飞机还没能规模应用。500Wh/kg电池的商业化，能够弥补能量密度方面的不足，助力锂电池翱翔在浩瀚的天空。世界正在超清洁能源的方向发展，期待未来有一天，上天入地下海的设备都将由锂电池驱动，真正成为“能源心脏”，守护地球的可持续发展。
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