固态电池会成为电动飞机的圣杯吗？

图1Eviation的电动爱丽丝将需要复杂的电池来实现区域客运运营的目标。

随着电动教练机已经投入使用，首批eVTOL型号即将获得认证，锂离子电池已经在另一个电气化行业占据了一席之地。锂离子电池可能无法提供航空业所渴望的那种能量和动力，但这并没有阻止飞机开发商追求他们的电动航空梦想，建造电池供电、无排放的飞机。

对于先进的空中交通行业来说，目前可用的电池足以用于短途飞行的小型飞机，但将该技术扩展到更大、更远距离的飞机将需要电池技术的突破。这一突破可能带来的确切结果仍有待观察，但与此同时，新的和改进的电池可能比你想象的更接近——它们可能与我们今天已经使用的电池没有太大不同。

功率与能量

电池开发人员面临的关键挑战之一是功率和能量之间的相互作用。更高的能量密度意味着电池每单位体积可以储存更多的能量，而功率密度是指电池释放能量的速度。理想情况下，为电动飞机供电的电池能够提供高能量和功率密度，但不幸的是，这两种品质并不齐头并进。

电动飞机，特别是新的eVTOL型号，需要高功率密度的电池，以便在起飞和着陆时提供足够的升力。同时，它们需要足够的能量密度来支持所需的范围和能量储备。美国联邦航空管理局尚未决定eVTOL飞机的能量储备要求，但现行规定要求商用飞机在白天或夜间VFR条件下分别携带30或45分钟的能量储备，而直升机则需要20分钟。

鉴于目前正在开发的大多数eVTOL飞机都打算在大约20英里或更短的短途城际飞行中运行，现有的能量储备要求将是电池计划重量的两倍甚至三倍。eVTOL行业一直在游说采用基于性能的方法，而不是传统的基于时间的要求，以帮助最大限度地扩大eVTOL飞机已经有限的航程，并使该技术更具经济可行性。

虽然能量密度对航程很重要，但功率密度对eVTOL飞机在起飞和着陆过程中尤其关键。电动汽车电池的放电速度相对稳定，但eVTOL飞机需要短时间的高功率才能起飞和降落。电动汽车电池没有针对eVTOL飞机的不同功率输出进行优化。飞机也有更严格的重量限制，这也是电动汽车电池不适合eVTOL应用的另一个原因。

图2电动飞机制造商Archer在加利福尼亚州圣何塞推出了自己的大批量电池制造工厂

现用电池的替代品？

锂离子电池技术可能还不够先进，无法支持长途飞行，但就目前而言，它们仍然是最好的解决方案。然而，这种情况可能很快就会改变；研究机构已经出现了电池化学的新方法，并将其应用于一些商业产品中。

在航空应用中有前景的新型电池化学物质的例子包括固态电池和锂硫电池，这两种电池都可以提供实现远程飞行所需的更高能量密度。科学家和工程师已经证明，这种替代电池化学物质在技术上是可行的，但它们距离经济上可行并获得用于电动飞机的认证还有很长的路要走。

固态电池已成为航空应用中锂离子电池最有前景的替代品，汽车行业已经在电动汽车（EV）电池中测试该技术。三星在8月宣布，它已经开始试生产和测试一种固态电动汽车电池，据称该电池将提供600英里的续航里程、超快的充电时间和更长的电池寿命。

美国能源部田纳西州橡树岭国家实验室的电池科学家伊利亚斯·贝尔哈鲁克(Ilias Belharouak)告诉AIN：“但这些仍处于起步阶段，我们甚至需要几年时间才能判断它们在这些恶劣的(eVTOL操作)条件下的表现。”。作为ORNL电气化部门的负责人，贝尔哈鲁克领导着一个研究团队，专注于推进电池技术和电池制造工艺。

今年早些时候，贝尔哈鲁克和他的同事发表了一项研究，评估了各种电动汽车电池在eVTOL操作条件下的性能。他们发现，eVTOL飞行的功率和性能要求降低了电池性能和寿命，突显了对量身定制的、基于性能的电池解决方案的需求。贝尔哈鲁克说，在任何新型电池被认证用于电动飞机推进系统之前，“它必须在这些非常专业的协议或应变条件下进行测试，然后我们必须判断它们是否有价值。”

固态电池

许多人认为固态电池是储能解决方案的圣杯，固态电池正在慢慢进入电动汽车市场，似乎是下一代飞机电池最有可能的竞争者。锂离子电池通常含有液体或凝胶聚合物电解质，而固态电池则含有固体电解质。它们的能量密度比传统的锂离子电池高得多，通常被认为更安全，这使它们成为航空应用的理想候选者。

锂离子电池容易发生热失控—无法控制的过热可能导致火灾或爆炸—部分原因是它们含有易燃的液体电解质，通常由有机溶剂与锂盐和其他添加剂混合而成。在发生短路或其他物理损坏的情况下，锂离子电池中的易燃电解质可能会点燃，这可能会使本已糟糕的情况变得更糟。

在固态电池中，易燃的液体电解质被不易燃的固体离子导体所取代。与锂离子电池相比，固态电池具有更好的热稳定性，可以在更宽的温度范围内高效运行。凭借更高的能量密度，它们还减少了电池的总重量，使更大的飞机和更重的有效载荷能够进行更长的飞行。

电解质是阴极和阳极之间的材料，或者是电池单元相对端的正极和负极之间的材料。当电池充电和放电时，它促进锂原子在两个电极之间的运动。

当电池放电或输出电力时，锂原子从带负电荷的阳极释放出来，流向带正电荷的阴极。在这个过程中，锂原子会失去外层电子，变成带正电的锂离子。那些带负电荷的自由电子然后向阴极移动。当电池充电时，情况正好相反；锂离子从阴极释放并向阳极移动。

几十年来，研究人员一直在试验不同类型的固体电解质。所有这些通常都会遇到同样的问题：离子电导率低，电极-电解质界面的表面电阻高，脆性固体的机械稳定性差。更高的电阻和更低的电导率都会阻碍电流通过电池，限制其性能并降低整体能效。

由于这些原因，迄今为止，商业市场上的固态电池仅限于小型电子设备，包括一些助听器、起搏器和可穿戴健身追踪器。然而，正如锂离子电池多年来的发展一样，固态电池背后的技术也在不断改进，对更广泛的应用越来越重要。

不幸的是，固态电池也比锂离子电池贵，无论是在原材料价格还是更复杂的制造工艺成本方面。为了在任何市场上与锂离子电池竞争并使其物有所值，固态电池需要在性能上比无处不在的液态电池有相当大的提高。以当今的电池技术水平来看，用于航空应用的最先进的锂离子电池的性能数据与固态电池相当。

图3 Amprius电池中的硅阳极设计用于防止开裂。

锂离子电池突破

当汽车行业热切期待固态电动汽车电池的到来时，航空业正在祈祷一项值得诺贝尔奖的突破，有朝一日可以让电池电动飞机的长途旅行成为可能。与此同时，务实的科学家们仍在努力改进锂离子电池，许多人长期以来一直渴望更换这种电池。

除了增加功率和能量外，研究人员还希望使锂离子电池更具弹性，延长寿命，从而减少电池更换的频率。

Belharouak认为，优化eVTOL应用锂离子电池的解决方案都归结为电解质。他和他在ORNL的团队一直在开发和测试新的液体和凝胶电解质材料，这些材料可以比当今电池中的传统电解质更快、更有效地传导锂离子。Belhaourak和其他电池研究人员也在研究阴极和阳极的替代材料。

尽管目前锂离子电池阳极最常用的材料是石墨，但硅最近已成为一种有前景的替代阳极材料，特别是在电动飞机方面。硅可以储存比石墨多10倍的电荷。然而，材料在充电过程中会膨胀，导致其随着时间的推移而开裂和退化。为了解决这个问题，研究人员正在寻找保护和加固硅阳极的方法。

例如，韩国光州科学技术研究所（GIST）的一个研究小组设计了一种使用化学添加剂减缓阳极降解的解决方案。他们用氧化石墨烯溶液注入硅阳极，形成“网状结构”，将阳极的颗粒保持在一起，而不会影响它们储存和释放锂原子的能力。

总部位于加利福尼亚州的飞机电池制造商Amprius似乎已经破解了硅阳极技术的密码，其高性能锂离子电池系列采用了专利硅纳米线阳极。为阳极实施纳米线结构可以产生更多与电解质接触的表面积，从而实现更快的充电/放电速率并提高功率密度。

根据Amprius的说法，其专有的硅纳米线阳极的配置方式可以容忍膨胀并抵抗开裂。这种秘方使Amprius能够生产出它声称是当今航空业可用的能量密度最高的锂离子电池。它还为国防部门的储能应用提供技术。该公司为不同用途提供了几种版本的硅纳米线电池，其比能量高达每千克500瓦时（Wh/kg），能量密度高达每升1300瓦时（Wh/L）。

电力推进系统先驱MagniX最近进入了储能领域，计划专门为飞机生产电池。MagniX在6月24日宣布这一举措时表示，其新的Samson电池系列将提供300 Wh/kg的电量，使用寿命超过1000次全深度放电循环。这家总部位于华盛顿州埃弗雷特的公司打算在其额定功率为350至650千瓦的电力推进系统系列中采用Samson电池。MagniX正在为包括塞斯纳大篷车和DHC-2海狸在内的传统飞机提供推进系统作为改装。

补充信息

马斯克为他的电动汽车，新开发了一款电池—铝离子电池。铝离子电池不再用金属锂，能量、功率密度高、使汽车有更长的航程，充电时间短，电池寿命长。

参考文献

原文《Electric Aircraft Developers Prep for Battery Breakthroughs 》