跨界融合典范:固态电池助力低空经济,打造飞行汽车全新出行体验

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11月13日，全球领先的城市空中交通科技企业亿航智能宣布，在国际先进技术应用推进中心（合肥）低空经济电池能源研究院的孵化下，高能量固态电池取得重大技术突破。EH216-S搭载该电池成功完成单次不间断飞行测试，达到48分10秒，续航时间显著提升60%—90%，这一成就标志着全球首个无人驾驶载人电动垂直起降航空器（eVTOL）完成固态电池飞行测试，为城市空中交通领域的发展提供了新的动力解决方案。



  2024年被誉为"低空经济"发展的起点之年，同样2024年也是“固态电池"的发展元年，凭借两者技术的整合与创新、产业链的协同进步，必将推动固态电池在低空经济领域内的深度应用及其商业化步伐，固态电池将为低空经济的飞跃提供强劲动力，揭开低空经济发展的新篇章。



目前，动力电池的续航能力不足正成为限制低空经济飞行器/eVTOL发展的瓶颈，而固态电池以其更高的能量密度潜力，有望在这一领域实现突破。2024年3月，工业和信息化部等机构联合发布了《通用航空装备创新应用发展规划（2024-2030年）》，该规划提出了“促进400Wh/kg级别的航空用锂电池实现批量生产，并对500Wh/kg级别的锂电池在航空领域的应用进行验证”的目标。



传统的锂离子电池由正极材料、负极材料、电解液和隔膜组成，其中锂离子在正极和负极之间来回移动实现充放电过程，电解液的作用是充当锂离子的迁移通道，隔膜的作用是隔绝正负极以防止短路。电池能量密度的提升核心取决于对正负极活性材料的选择，理论上要选择更高比容量的活性物质，但由于液态电解质电化学窗口较窄，高压高比容量的正极材料存在不稳定性，锂金属负极容易形成锂枝晶刺穿隔膜，形成电池短路造成安全隐患。当前液态高镍三元锂离子电芯能量密度理论极限或在 350Wh/kg 左右，在现有材料体系下，能量密度提升难有较大突破。



  受材料体系影响，在各种诱因作用下，液态电池容易出现热失控现象，进而引发电池着火和爆炸。通常电池热失控是从电芯内的负极SEI膜分解开始，继而隔膜分解熔化，导致负极与电解液发生反应，随之正极和电解质发生分解，从而引发大规模的内短路，造成电解液燃烧，进而蔓延到其他电芯，造成严重的热失控，甚至起火爆炸。



   固态电池相比传统锂电池，采用固态电解质替代传统液体电解液提供离子传导路径，降低漏液短路风险，提升电池安全性，同时固态电解质可以承受更高电压、电流，能够提升电池能量密度。现有液态电池中，广泛使用的磷酸铁锂电池能量密度一般为100~160Wh/kg，三元锂电池能量密度通常为 150~350Wh/kg，固态电池能量密度则为 400-900Wh/kg。



   固态电解质作为固态电池核心材料，根据固态电解质的材料不同，主要可以分为聚合物、氧化物、硫化物和卤化物体系。其中，聚合物电解质起步早，其具有良好的界面相容性和机械加工性，但常温离子电导率低，限制其大规模应用；氧化物电解质目前发展进度较快，其稳定性好、电化学窗口宽、机械强度高，但界面相容性差、电导率一般且加工困难；硫化物电解质最具发展潜力，其电导率高，但化学稳定性差、成本高加工难度大；卤化物电解质具备高柔韧性、易加工、氧化电位较高等优势，但与负极兼容性低，电导率需进一步提升。



   聚合物电解质仅由聚合物和锂盐复合而成，因为其本身的高弹性和柔韧性，通常具备较高的弹性模量和良好的界面接触性能，即使在充放电过程中电极体积发生变化也能适应，且能有效抑制锂枝晶的形成。有助于在电池的长期循环使用中维持低界面阻抗，从而增强固态锂电池的稳定性和可靠性。此外，聚合物基固态电解质还具有质轻、成本低、对温度等环境条件不苛刻的特点，适宜规模化生产。但聚合物电解质室温下离子导电率低，需加热至 60℃以上，热稳定性有限，再加上高压稳定性较差、材料常温电导率低等问题，电池能量密度难以继续提升。



常用的聚合物基体有聚氧化乙烯(PEO)、聚丙烯腈(PAN)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。国内外对聚合物电解质研究最多、最广泛的是聚氧化乙烯（PEO）类聚合物电解质，但由于 PEO 的结晶性，其室温离子电导率很低，为 10-7～10-8 S/cm 数量级。



  氧化物电解质是含有锂、氧以及其他成分（磷/铝/铜/锗/锌/锆）的化合物，氧化物电解质导电性和稳定性好、电化学稳定窗口宽、机械强度高。氧化物电解质离子电导率比聚合物电解质更高，热稳定性可达1000℃，可以与高电压正极材料匹配。氧化物电解质各方面的性能表现较为均衡，较多玩家采用此路线。目前我国领先的半固态电池路线基本围绕氧化物+聚合物复配的技术路线展开。



   硫化物电解质离子电导率媲美液态电解液，是目前最理想的固态电解质之一。硫化物固态电解质指含有硫元素的二元和多元化合物，主要结构包括二元玻璃陶瓷（Li2S-MxSy）、硫银锗矿型（Argyrodite）和晶体快离子导体型（thio-LISICON），分别以锂磷硫化物（LPS），卤素掺杂 LPSX，以及磷离子、锗离子异价取代的 LGPS 为代表。由于硫元素半径更大，离子传导通道更大且电负性较小，因此硫化物电解质离子传输性能优异，其离子电导率媲美液态电解液（10-2 S/cm）, 电化学窗口达 5V 以上，是目前最理想的固态电解质之一。



   卤化物电解质一般可分为四类，根据中心元素不同其特性也有较大差异。卤化物固态电解质的形式可以描述为 LiaMXb 三元化合物，其中 M 代表中心元素，X 是卤素元素，包括 F、Cl、Br、I。随着卤化物固态电解质中心元素的改变，其晶体结构、导电机制和电化学性质可能各不相同。根据它们的中心元素，卤化物固态电解质可以分为四类，包括具有二价金属、三价金属、四价金属和非金属中心元素的卤化物固态电解质。卤化物电解质具有较好的机械稳定性，与硫化物电解质相比，其与电极的界面稳定性更好；此外，卤化物电解质表现出较高的氧化稳定性以及宽化学窗口，同时，其低成本、环境友好，相比其他电解质具有更为优异的高电压正极稳定性。



   目前大多数固态电解质难以同时满足高离子电导率、宽电化学窗口和电化学、热稳定性。氧化物固态电解质（如石榴石型LLZO、NASICON 型、LATP等）对环境空气和高温状态更稳定，但界面阻抗较大，容易生长锂枝晶。硫化物固态电解质（如晶态锂锗磷硫 LGPS）离子电导率高于氧化物，但其制备方法复杂，环境稳定性差，生产成本高。聚合物固态电解质机械加工性能优、黏弹性好，但其室温离子电导率低，导致电池倍率性能差。



  当前全球核心固态电池产业区域为欧美、日韩和中国。欧美地区以自主研发固态电池技术的创业型公司为主，在硫化物、氧化物和聚合物都有布局；日韩地区以传统车企与电池企业合作开发为主，主要技术路线为硫化物；中国以市场为主导研发投入巨大，且以科研机构或院校为支撑，主流采用氧化物路线，产业化进程较快。



      宁德时代在2016 年就表示在研发固态电池，之后陆续有固态电池专利申请公开，在 2024年9月的活动中，宁德时代董事长曾毓群提到用技术和制造成熟度 1-9 作为评价体系，宁德时代的固态电池研发目前处于4的水平。在技术进步的同时，工艺的提升、供应链降本等重要工作预计也将同步进行，宁德时代计划在2027年具备固态电池量产能力。



  华为在近期也公布了一项全固态电池的专利，这份专利的名字叫做“掺杂硫化物材料及其制备方法、锂离子电池”，华为通过掺杂硫化物材料来增加固体电解质的活跃性，制备方法已经在实验室取得了成功，验证了可行性，在技术上取得重大突破！



低空经济，作为一个新兴的概念，正在全球范围内引起广泛关注，在这片广阔的蓝海市场里，固态电池技术的突破无疑成为推动低空经济发展的重要引擎之一，相比传统锂离子电池，固态电池“三高一快”（高安全性、高能量密度、高功率和快充）的特性，契合了eVTOL飞行器对动力电池的技术要求，这将极大提升低空飞行器的性能表现，并为行业带来前所未有的发展机遇。“低空经济”与“固态电池”的结合堪称天作之合，为我们开启了一个充满无限可能的崭新时代。