固態電池會成為電動飛機的圣杯嗎？

圖1Eviation的電動愛麗絲將需要復雜的電池來實現區域客運運營的目標。

隨著電動教練機已經投入使用，首批eVTOL型號即將獲得認證，鋰離子電池已經在另一個電氣化行業占據了一席之地。鋰離子電池可能無法提供航空業所渴望的那種能量和動力，但這并沒有阻止飛機開發商追求他們的電動航空夢想，建造電池供電、無排放的飛機。

對于先進的空中交通行業來說，目前可用的電池足以用于短途飛行的小型飛機，但將該技術擴展到更大、更遠距離的飛機將需要電池技術的突破。這一突破可能帶來的確切結果仍有待觀察，但與此同時，新的和改進的電池可能比你想象的更接近——它們可能與我們今天已經使用的電池沒有太大不同。

功率與能量

電池開發人員面臨的關鍵挑戰之一是功率和能量之間的相互作用。更高的能量密度意味著電池每單位體積可以儲存更多的能量，而功率密度是指電池釋放能量的速度。理想情況下，為電動飛機供電的電池能夠提供高能量和功率密度，但不幸的是，這兩種品質并不齊頭并進。

電動飛機，特別是新的eVTOL型號，需要高功率密度的電池，以便在起飛和著陸時提供足夠的升力。同時，它們需要足夠的能量密度來支持所需的范圍和能量儲備。美國聯邦航空管理局尚未決定eVTOL飛機的能量儲備要求，但現行規定要求商用飛機在白天或夜間VFR條件下分別攜帶30或45分鐘的能量儲備，而直升機則需要20分鐘。

鑒于目前正在開發的大多數eVTOL飛機都打算在大約20英里或更短的短途城際飛行中運行，現有的能量儲備要求將是電池計劃重量的兩倍甚至三倍。eVTOL行業一直在游說采用基于性能的方法，而不是傳統的基于時間的要求，以幫助最大限度地擴大eVTOL飛機已經有限的航程，并使該技術更具經濟可行性。

雖然能量密度對航程很重要，但功率密度對eVTOL飛機在起飛和著陸過程中尤其關鍵。電動汽車電池的放電速度相對穩定，但eVTOL飛機需要短時間的高功率才能起飛和降落。電動汽車電池沒有針對eVTOL飛機的不同功率輸出進行優化。飛機也有更嚴格的重量限制，這也是電動汽車電池不適合eVTOL應用的另一個原因。

圖2電動飛機制造商Archer在加利福尼亞州圣何塞推出了自己的大批量電池制造工廠

現用電池的替代品？

鋰離子電池技術可能還不夠先進，無法支持長途飛行，但就目前而言，它們仍然是最好的解決方案。然而，這種情況可能很快就會改變；研究機構已經出現了電池化學的新方法，并將其應用于一些商業產品中。

在航空應用中有前景的新型電池化學物質的例子包括固態電池和鋰硫電池，這兩種電池都可以提供實現遠程飛行所需的更高能量密度?？茖W家和工程師已經證明，這種替代電池化學物質在技術上是可行的，但它們距離經濟上可行并獲得用于電動飛機的認證還有很長的路要走。

固態電池已成為航空應用中鋰離子電池最有前景的替代品，汽車行業已經在電動汽車（EV）電池中測試該技術。三星在8月宣布，它已經開始試生產和測試一種固態電動汽車電池，據稱該電池將提供600英里的續航里程、超快的充電時間和更長的電池壽命。

美國能源部田納西州橡樹嶺國家實驗室的電池科學家伊利亞斯·貝爾哈魯克(Ilias Belharouak)告訴AIN：“但這些仍處于起步階段，我們甚至需要幾年時間才能判斷它們在這些惡劣的(eVTOL操作)條件下的表現。”。作為ORNL電氣化部門的負責人，貝爾哈魯克領導著一個研究團隊，專注于推進電池技術和電池制造工藝。

今年早些時候，貝爾哈魯克和他的同事發表了一項研究，評估了各種電動汽車電池在eVTOL操作條件下的性能。他們發現，eVTOL飛行的功率和性能要求降低了電池性能和壽命，突顯了對量身定制的、基于性能的電池解決方案的需求。貝爾哈魯克說，在任何新型電池被認證用于電動飛機推進系統之前，“它必須在這些非常專業的協議或應變條件下進行測試，然后我們必須判斷它們是否有價值。”

固態電池

許多人認為固態電池是儲能解決方案的圣杯，固態電池正在慢慢進入電動汽車市場，似乎是下一代飛機電池最有可能的競爭者。鋰離子電池通常含有液體或凝膠聚合物電解質，而固態電池則含有固體電解質。它們的能量密度比傳統的鋰離子電池高得多，通常被認為更安全，這使它們成為航空應用的理想候選者。

鋰離子電池容易發生熱失控—無法控制的過熱可能導致火災或爆炸—部分原因是它們含有易燃的液體電解質，通常由有機溶劑與鋰鹽和其他添加劑混合而成。在發生短路或其他物理損壞的情況下，鋰離子電池中的易燃電解質可能會點燃，這可能會使本已糟糕的情況變得更糟。

在固態電池中，易燃的液體電解質被不易燃的固體離子導體所取代。與鋰離子電池相比，固態電池具有更好的熱穩定性，可以在更寬的溫度范圍內高效運行。憑借更高的能量密度，它們還減少了電池的總重量，使更大的飛機和更重的有效載荷能夠進行更長的飛行。

電解質是陰極和陽極之間的材料，或者是電池單元相對端的正極和負極之間的材料。當電池充電和放電時，它促進鋰原子在兩個電極之間的運動。

當電池放電或輸出電力時，鋰原子從帶負電荷的陽極釋放出來，流向帶正電荷的陰極。在這個過程中，鋰原子會失去外層電子，變成帶正電的鋰離子。那些帶負電荷的自由電子然后向陰極移動。當電池充電時，情況正好相反；鋰離子從陰極釋放并向陽極移動。

幾十年來，研究人員一直在試驗不同類型的固體電解質。所有這些通常都會遇到同樣的問題：離子電導率低，電極-電解質界面的表面電阻高，脆性固體的機械穩定性差。更高的電阻和更低的電導率都會阻礙電流通過電池，限制其性能并降低整體能效。

由于這些原因，迄今為止，商業市場上的固態電池僅限于小型電子設備，包括一些助聽器、起搏器和可穿戴健身追蹤器。然而，正如鋰離子電池多年來的發展一樣，固態電池背后的技術也在不斷改進，對更廣泛的應用越來越重要。

不幸的是，固態電池也比鋰離子電池貴，無論是在原材料價格還是更復雜的制造工藝成本方面。為了在任何市場上與鋰離子電池競爭并使其物有所值，固態電池需要在性能上比無處不在的液態電池有相當大的提高。以當今的電池技術水平來看，用于航空應用的最先進的鋰離子電池的性能數據與固態電池相當。

圖3 Amprius電池中的硅陽極設計用于防止開裂。

鋰離子電池突破

當汽車行業熱切期待固態電動汽車電池的到來時，航空業正在祈禱一項值得諾貝爾獎的突破，有朝一日可以讓電池電動飛機的長途旅行成為可能。與此同時，務實的科學家們仍在努力改進鋰離子電池，許多人長期以來一直渴望更換這種電池。

除了增加功率和能量外，研究人員還希望使鋰離子電池更具彈性，延長壽命，從而減少電池更換的頻率。

Belharouak認為，優化eVTOL應用鋰離子電池的解決方案都歸結為電解質。他和他在ORNL的團隊一直在開發和測試新的液體和凝膠電解質材料，這些材料可以比當今電池中的傳統電解質更快、更有效地傳導鋰離子。Belhaourak和其他電池研究人員也在研究陰極和陽極的替代材料。

盡管目前鋰離子電池陽極最常用的材料是石墨，但硅最近已成為一種有前景的替代陽極材料，特別是在電動飛機方面。硅可以儲存比石墨多10倍的電荷。然而，材料在充電過程中會膨脹，導致其隨著時間的推移而開裂和退化。為了解決這個問題，研究人員正在尋找保護和加固硅陽極的方法。

例如，韓國光州科學技術研究所（GIST）的一個研究小組設計了一種使用化學添加劑減緩陽極降解的解決方案。他們用氧化石墨烯溶液注入硅陽極，形成“網狀結構”，將陽極的顆粒保持在一起，而不會影響它們儲存和釋放鋰原子的能力。

總部位于加利福尼亞州的飛機電池制造商Amprius似乎已經破解了硅陽極技術的密碼，其高性能鋰離子電池系列采用了專利硅納米線陽極。為陽極實施納米線結構可以產生更多與電解質接觸的表面積，從而實現更快的充電/放電速率并提高功率密度。

根據Amprius的說法，其專有的硅納米線陽極的配置方式可以容忍膨脹并抵抗開裂。這種秘方使Amprius能夠生產出它聲稱是當今航空業可用的能量密度最高的鋰離子電池。它還為國防部門的儲能應用提供技術。該公司為不同用途提供了幾種版本的硅納米線電池，其比能量高達每千克500瓦時（Wh/kg），能量密度高達每升1300瓦時（Wh/L）。

電力推進系統先驅MagniX最近進入了儲能領域，計劃專門為飛機生產電池。MagniX在6月24日宣布這一舉措時表示，其新的Samson電池系列將提供300 Wh/kg的電量，使用壽命超過1000次全深度放電循環。這家總部位于華盛頓州埃弗雷特的公司打算在其額定功率為350至650千瓦的電力推進系統系列中采用Samson電池。MagniX正在為包括塞斯納大篷車和DHC-2海貍在內的傳統飛機提供推進系統作為改裝。

補充信息

馬斯克為他的電動汽車，新開發了一款電池—鋁離子電池。鋁離子電池不再用金屬鋰，能量、功率密度高、使汽車有更長的航程，充電時間短，電池壽命長。

參考文獻

原文《Electric Aircraft Developers Prep for Battery Breakthroughs 》