eVTOL的电池技术:趋势和挑战

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电动垂直起降（eVTOL）飞机改变了城市空中交通的未来。这一变化的核心是为这些创新飞机提供动力的先进电池技术。eVTOL对电池性能和寿命提出了独特的挑战，推动了当前技术的界限。克服这些挑战推动了eVTOL电池的未来创新，凸显了能源和电力系统工程师的关键作用。



eVTOL在城市街道上空盘旋。（图片来源：Wikimedia Commons）

了解eVTOL对电池的独特要求

      eVTOL飞机在苛刻的条件下运行，严重影响了电池性能和寿命。与地面电动汽车不同，eVTOL需要快速能量释放才能垂直起降，从而导致强烈的热应力和电池退化加速。这些独特的操作要求需要开发专门的电池技术，以承受高功率输出，同时保持效率和安全性。例如，典型的电动汽车电池，如特斯拉Model S中的电池，采用锂离子技术，一次充电可提供长达535公里的续航里程，而eVTOL电池必须处理更剧烈的充电和放电循环。像Joby Aviation S4这样的eVTOL旨在实现150英里的航程和垂直起降能力，需要能够支持快速、强烈的电力爆发的电池，同时避免过热并最大限度地减少重量以最大限度地提高运营效率。



与电动汽车相比，eVTOL的电池需求。（图片来源：宾夕法尼亚州立大学）

  此外，固态电池的进步有助于应对这些挑战。像QuantumScape这样的公司正在开发固态电池，通过消除液体电解质来提供更高的能量密度和改进的安全功能，液体电解质是高应力环境中的重大火灾隐患。

eVTOL电池技术创新

  为了满足eVTOL操作的严格要求，研究人员正在寻求电池技术的重大进步。从历史上看，eVTOL主要依赖于传统的锂离子电池，类似于消费电子产品中使用的电池。这些电池平衡了能量密度和可靠性，但仅限于快速充电和热管理。

能量密度和热管理

  传统的锂离子电池由于能量密度有限且易受热应力影响，在航空领域面临挑战。固态电池等技术的进步显著改善了这些方面。固态电池用固体电解质代替液体电解质，从而降低了可燃性风险并提高了能量密度。例如，QuantumScape的固态电池的能量密度比传统锂离子电池高出50%。其它推进电池技术的公司包括：

•Lilium开发了高性能电池组，使用锂离子电池和硅主导阳极。与石墨阳极电池相比，这些阳极具有更高的能量、功率和快速充电能力。Lilium的电池组旨在满足严格的飞机安全要求，包括抗冲击性和热管理。

•Overair与韩华Systems和韩华Aerospace合作，正在为其Butterfly eVTOL开发先进的电池组。这些电池组旨在支持高能量密度和功率要求。

•BETA Technologies正在开发ALIA-250 eVTOL，该产品将采用旨在优化能量存储和重量的电池。Charge Cube 系统为 eVTOL 和地面电动汽车提供高效动力。



Lilium喷气式飞机的概念。（图片来源：Lilium）

快速充电技术

  传统的锂离子电池通常需要数小时才能充电，这对于eVTOL操作来说是不切实际的。为了解决这个问题，正在开发新的快速充电技术：

•创新的电解质设计。美国太平洋西北国家实验室的研究人员开发了具有可控溶剂化结构的电解质配方，显著提高了快速充电能力。这些电解质使高能量密度锂离子电池能够在 4C（15分钟充满电）和5C（12分钟充满电）下充电，性能优于传统电解质。这一进步解决了在充电过程中增强锂运输的技术挑战，从而提高了电池的整体效率和寿命。

•极速充电技术。美国国家可再生能源实验室的XCEL团队正致力于通过改进配方、先进的电极设计和优化的热控制来增强电解质运输。他们的研究旨在实现美国先进电池联盟的目标，即在不到15分钟的时间内实现80%的充电，这些电池具有275瓦时/千克的能量密度和1000次循环、15年的使用寿命。重点是克服厚电极电池的局限性，厚电极电池虽然具有成本和能源优势，但在快速充电过程中会受到严重的锂浓度梯度的影响。



锂离子在电池电解液中移动的可视化。（图片来源：NREL）

工程师关注的关键领域

      eVTOL电池技术的未来将迎来变革性的进步，以显著提高性能、安全性和可持续性。从事eVTOL电池系统的工程师需要了解几个关键领域，以提高这些先进能源系统的可靠性。以下是对近期研究支持的关键领域的详细见解：

•了解电池的化学成分和材料至关重要，这些材料可以承受高功率输出，同时保持安全性和效率。以硅为主的阳极和固态电解质等先进材料在能量密度和安全性方面取得了显著改善。例如，硅主导阳极可以实现比传统石墨阳极更高的能量容量，这对于eVTOL的性能要求至关重要。

•了解有效的热管理对于防止过热和确保电池寿命至关重要。传统的空气和液体冷却方法在管理先进电池的高散热方面存在局限性。最近的进展包括相变材料（PCM）冷却和直接液体冷却。相变冷却利用相变过程中的潜热来保持温度均匀性。将其与热管和微通道冷却板等结构相结合，可提高其有效性。与空气冷却相比，直接液体冷却具有更好的导热性和热容量，使其更适合大容量电池系统。

•电池管理系统（BMS）的高级知识对于监控和管理电池的性能、安全和健康至关重要，尤其是在eVTOL操作典型的高应力条件下。BMS必须解决充电状态、健康状态和热失控等问题。例如，NREL的自适应电化学方案和最佳热控制有助于管理快速充电接受度并延长电池寿命。

  通过了解和利用这些进步，工程师可以显著提高eVTOL电池系统的性能、安全性和可靠性。

eVTOL电池的未来

  即将推出的eVTOL电池旨在应对所带来的挑战。Lilium的电池组使用锂离子电池和硅主导阳极，提供比石墨阳极电池更高的能量、功率和快速充电能力。Factorial Energy正在推进固态电池技术，最近生产的100Ah准固态电池单元通过了UN 38.3测试。这些电池有望实现更高的能量密度和更快的充电时间，并将在2024年达到A/B样品验证水平，为商业化铺平道路。

  锂硫和锂空气等下一代电池有望实现比现有锂离子电池高得多的能量密度，可能达到600Wh/kg。此外，最近的创新表明，固态电池可以在大约10分钟内充电，这要归功于防止枝晶形成的新材料和设计。未来的BMS将集成复杂的机器学习算法，以增强电池性能的监控和管理。

开发抗树突电解质。（图片来源：哈佛大学工程学院）

  美国宇航局（NASA）和阿彻航空（Archer Aviation）之间的合作努力正专注于测试和完善这些先进的BMS技术，用于商业eVTOL运营。这些进步凸显了我们不断致力于克服eVTOL电池系统的技术障碍，确保未来更安全、更高效、更可靠的城市空中交通。

来源/作者：星辰工业电子简讯

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