什么电池才能配得上电动飞行汽车?

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2021-07-06 09:29

     做出普通的飞行汽车已经很难了,研发电动飞行汽车只会是一个更难解决的问题,这是因为电动飞行汽车对电池重量和能量输出的速率都有极高的要求。不过,在锂离子电池领域的新突破可能会帮助电动飞行汽车成为现实。

电动飞行汽车

     电动垂直起降(eVTOL)飞机越来越受到城市空中交通服务的青睐。这种服务是在城市中开辟空中走廊,提供出行服务。通过结合直升机在本地起降的便利性与在空中飞行的高效性,搭配电动设备的低噪音和低环境影响的特性,电动飞行汽车可能会帮助城市大幅度减少交通拥堵。事实上,德国慕尼黑管理咨询公司罗兰贝格(Roland Berger) 2020年的一份报告就确定了全球已有95个正在进行的eVTOL项目。
     然而,为电动飞行汽车开发电池一直是一个挑战。飞行并不是一件容易的事,研究人员一直在努力攻克飞行汽车重量的问题。当飞行器在起飞和着陆期间垂直移动时,电池必须提供非常高的功率。并且,飞行器还需要高密度的能量才能在空中停留并飞行。
     此外,由于eVTOL飞机的商业模式最初可能会涉及空中出租车服务,因此它们将会需要快速且频繁地充电,以便在高峰时段赚取高额收入。资深研究学者、宾夕法尼亚州立大学汽车、机械、化学和材料工程师,电化学发动机中心主任王朝阳(音译)说「每一辆空中出租车可能都需要在早高峰时段接单15次,在晚高峰时段再出接单15次,以达到基本的收支平衡。例如搭载3-4个人从市中心到机场,大约50英里行程(80.5 km)这样的订单」。
     王主任还指出,设计中的很多功能可能会互相限制。例如,快速充电很可能会减少充电循环次数,而高能量密度又会降低充电速度。
     现在,王主任和他的同事已经开发出原型电池设计,他们表示其可以支持80公里的eVTOL旅行,能量密度为每公斤271瓦时。这些锂离子电池在其生命周期内可以承受2,000多次快速充电循环,并且只需5到10分钟即可充电。「可用于商业飞行汽车的第一代电池现已上市」王主任表示。
     仿照着他们为标准电动汽车开发电池的技术,科学家们将10微米薄的镍箔放入电池中,以帮助它们快速加热至60摄氏度。加热电池可以帮助它们快速充电,而不会形成可能损坏其内部并导致短路的锂尖刺。
     因为电池必须保留一些电量才能悬停在空中或者着陆,加热还可以帮助解决电池不能完全放电的相关问题。当电池电量耗尽时,其充电电阻较低,而剩余电量越高,充电速度越慢。加热原型eVTOL电池可以帮助他们快速释放剩余能量,进而完成快速充电。
     王主任说「我们的自加热技术的加热速度为每秒1至5摄氏度,温度每升高10摄氏度,仅消耗0.8%的电池能量,与此同时,嵌入的镍箔为基准电池增加了不到1.5%的重量和体积,但只有不到0.3%的成本。」
     他和他的同事们花了大约10年的时间,从偶然提出加热电池的想法到现在演示和完善各种电池原型。他们面临的一个巨大挑战是尽可能降低这些自热结构的复杂性——「简单是我们最复杂的任务,」他补充道。
     研究人员现在正在将他们的策略转向具有更高能量密度的电池化学。通过他们正在开发的下一代电池,目标是实现每公斤350到400瓦时的能量密度,并将成本降低到每千瓦时50美元,同时将充电时间保持在5到10分钟之内。
     王主任说「第二代不仅可以实现像飞行出租车这样的商业eVTOL用途,还可以实现私人拥有的飞行汽车。我的梦想是在退休前开着飞行汽车上班。」

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