作者:唐凤 来源:中国科学报 发布时间:2021/6/8 9:47:34
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电动飞行汽车来了?
热调控电池让商业化成为可能

 

驾驶汽车飞行在林立的高楼之间,可能将不再是科幻电影的情节。随着垂直起降飞行器(eVTOL)技术的日渐成熟,这一场景正逐步走向现实。

美国宾夕法尼亚州立大学研究人员正在探索电动飞行汽车的需求,并设计和测试了新型电池。研究人员利用热调控技术,实现了两种高比能电池在飞行汽车应用场景下的快速充电和高使用寿命。6月7日,相关论文刊登于《焦耳》。

“我认为飞行汽车有潜力节省大量时间,为交通运输开辟天空走廊。”宾夕法尼亚州立大学电化学发动机中心主任王朝阳说,“但电动飞行汽车对电池的要求很高,非常具有挑战性。”

飞起来 疏拥堵

现在,对于人类而言,飞上云霄甚至遨游太空,已触手可及。但是,想飞就飞的便捷飞行方式仍是很多人的梦想。

“飞行汽车可以用来解决大都市的交通拥堵问题,例如用于早、晚高峰的城市出行。一旦起飞,其短途旅行的平均速度将为100英里每小时,长途旅行的平均速度为200英里每小时。”王朝阳告诉《中国科学报》,“目前全球范围内有近百个公司在进行相关机器的开发和商业化工作。”

不过,动力电池作为电动飞行汽车的心脏,仍然是制约其商业转化的最主要瓶颈,然而相关研究却十分有限。

实际上,飞行汽车电池的难点在于需要同时满足高能量密度、高功率密度、5~10分钟内快充能力、极长循环寿命,以及高安全性。目前市场上的动力电池可以满足部分性能要求,但做不到同时满足。

例如,“飞行汽车的电池需要有非常高的能量密度,这样你才能在空中停留。它们在起飞和降落时也需要非常大的动力。”王朝阳说,重量也是这些电池需要考虑的一个因素,因为车辆将不得不带着电池提升和降落。

电池要给力

针对这些问题,王朝阳团队与EC Power公司合作者,在论文中详细探讨了电动飞行汽车对动力电池各类性能参数的需求。研究发现,飞行汽车相对于传统电动汽车几乎在各个方面都对电池提出了更高的要求。

该研究详细分析了飞行汽车对电池能量和功率密度、快充、寿命和安全性的要求。相比于传统电动汽车电池,飞行汽车电池要求在更高的放电倍率下释放更大的比能量,并拥有更好的安全性。

但在正常情况下,电池具有高能量密度就会降低充电速度,而快速充电通常会减少可能的充电周期。

“飞行汽车电池约90%的充电场景为快充,远高于电动汽车电池(<10%)。此外,高频率运行使飞行汽车电池在一年内要完成约1600次满充满放循环,相当于一辆续航400公里的电动汽车一年内行驶64万公里。因此,在快充能力与循环寿命两个方面,飞行汽车对电池都提出了更严格的需求。”王朝阳说。

此外,电动飞行汽车的一个独特之处在于,它的电池必须一直保持一定的电量。例如,飞行汽车电池不能在空中完全放电,因为在空中停留和着陆都需要能量。因此这类电池需要有一个安全边际。

“为了安全,电动飞行汽车在降落后必须仍然保有25%~40%的电量。所以其快充必须要在高剩余电量的基础上实现,难度要比零电量的手机电池快充大很多。这个难题在本研究中也被热调控机理解决了。”王朝阳说。

给电池加点热

鉴于飞行汽车对电池快充的迫切需求,王朝阳团队展示了一种热调控快速充电技术,其核心是“高温充电,环境温度放电”。

“我们发明的新型电池是基于热调控的原理。在电芯里埋有一片10微米的镍箔作为发热体,然后利用电池自身的能量极速加热电芯,调节温度来实现电池无损伤快充和提供输出大功率。”

研究人员使用镍箔加热使电池迅速达到60摄氏度。分析结果显示,高温快充可避免电池析锂,缩短电池在高温工作的时间可避免电池材料的过快老化。而且,加热电池也可以快速释放电池中的能量,以保证起飞和降落。

“当电池是空的,内阻充电较低,但剩余电量越高,就越难将更多的能量推入电池。通常,充电速度会随着电池充满而变慢。然而,通过加热电池,充电可以保持在5到10分钟的范围。”王朝阳说。

研究人员利用该技术开展了电动飞行汽车场景下的快充循环实验,每个循环包括一次热调控快充和一次模拟80公里飞行距离的放电。实验显示,对于一款215Wh/kg的电池,热调控技术可在5分钟内充满80公里飞行距离所需的能量,且电池寿命可达到3800循环。对于另一款更高能量密度(271 Wh/kg)的电池,热调控可实现10分钟充电,且寿命达到2000循环。

针对目前屡有发生的电池爆燃问题,王朝阳表示,热调控电池比普通电池更安全,因为它在低温环境中的功率性能是通过热刺激得到,而传统电池必须靠提高电池材料的高活性,即以牺牲安全为代价而取得的。

“该热调控电池有望短时间内商业应用到eVTOL。而且,目前我们在研发第二代产品,是在上述第一代电池的基础上,再提升能量密度到350-400Wh/kg, 成本降至每瓦时0.35元人民币。”王朝阳说,“我希望在这篇论文能让人们相信,我们不需要再花费20年来最终得到这些飞行汽车。”

虽然,相比较韦斯莱家的飞行汽车,哈利·波特迷们可能更希望拥有一把飞行扫把。

相关论文信息:https://doi.org/10.1016/j.joule.2021.05.001

 
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