鋰離子電池新轉(zhuǎn)變助力電動(dòng)飛行汽車成為現(xiàn)實(shí)

如果說讓飛行汽車工作是一項(xiàng)挑戰(zhàn)的話，那么電動(dòng)飛行汽車就是一個(gè)更難解決的問題，因?yàn)樗枰休d電池的重量，以及它們輸出能量的速度有多快。動(dòng)力電池作為電動(dòng)飛行汽車的心臟，成為制約其商業(yè)化運(yùn)行的最主要瓶頸，其相關(guān)的研究卻十分有限。但鋰離子電池的一個(gè)新的轉(zhuǎn)變可能有助于將這一切成為現(xiàn)實(shí)。

電動(dòng)垂直起降飛行器（eVTOL）在城市空中機(jī)動(dòng)服務(wù)中引起了越來(lái)越多的關(guān)注，它可以打開城市的空中走廊供人們出行。通過將直升機(jī)在本地起降時(shí)的便利性與飛機(jī)的高效空氣動(dòng)力飛行以及電動(dòng)汽車的低噪音和環(huán)境影響結(jié)合起來(lái)，電動(dòng)飛行汽車可能有助于城市減少交通擁堵。事實(shí)上，德國(guó)慕尼黑的管理咨詢公司Roland Berger在2020年的一份報(bào)告中，確定了全球正在進(jìn)行的95個(gè)eVTOL項(xiàng)目。

然而，為電動(dòng)飛行汽車開發(fā)電池一直是一個(gè)挑戰(zhàn)。研究人員不得不擔(dān)心其重量。當(dāng)飛行器在起飛和著陸過程中垂直移動(dòng)時(shí)，它們必須提供非常高的功率。它們還需要高能量密度才能在空中停留一段時(shí)間。

此外，由于eVTOL飛行器的商業(yè)模式最初可能會(huì)涉及空中出租車服務(wù)，因此它們的電池需要快速且經(jīng)常充電，以便在高峰時(shí)間賺取高額收入。這項(xiàng)研究的資深作者，賓夕法尼亞州立大學(xué)電化學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)中心主任Chao-Yang Wang說，飛行汽車主要是為了緩解城市的交通擁堵狀況，其主要工作于早高峰 （ 600 ） 和晚高峰 （ 1600 ） 。因此，在兩次行程的短暫間隔內(nèi) （ 約 5-10 分鐘，用于交換乘客 ） 給電池充入足夠的能量，是保證飛行汽車在早晚高峰中連續(xù)運(yùn)行從而實(shí)現(xiàn)營(yíng)收最大化的關(guān)鍵。他同時(shí)指出，這些令人滿意的特征中有許多相互矛盾。例如，快速充電通常會(huì)減少可能的充電循環(huán)次數(shù)，而高能量密度會(huì)降低充電速度。

現(xiàn)在Wang和他的同事已經(jīng)開發(fā)出了電池原型設(shè)計(jì)，他們表示可以支持80公里的eVTOL旅行，能量密度為每公斤271瓦時(shí)。這些鋰離子電池在其使用壽命內(nèi)可維持2000多次快速充電循環(huán)，充電時(shí)間僅為5到10分鐘?！暗谝淮姵氐纳虡I(yè)可行性飛行器現(xiàn)在是可用的，”Wang說。

科學(xué)家們依靠他們?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)電動(dòng)汽車開發(fā)的技術(shù)，在電池中加入10微米薄的鎳箔，幫助電池快速加熱到60攝氏度。研究人員使用鎳箔加熱使電池迅速達(dá)到60攝氏度。分析結(jié)果顯示，高溫快充可避免電池析鋰，同時(shí)縮短電池的高溫工作時(shí)間以避免電池材料的過快老化。而且，加熱電池可以快速釋放電池中的能量，以保證汽車的起飛和降落。

加熱還可以幫助電動(dòng)飛行器解決一個(gè)問題，即它們的電池在運(yùn)行時(shí)永遠(yuǎn)不能完全放電，因?yàn)樗鼈兛偸且Ａ粢恍╇姾刹拍茉诳罩型Ａ艉椭?。?dāng)電池電量耗盡時(shí)，其充電電阻很低，但剩余電量越高，充電越慢。加熱eVTOL原型電池可以幫助它們快速釋放剩余能量，這樣它們就可以快速充電。

“我們的自加熱技術(shù)的加熱速度為每秒1到5攝氏度，每升高10攝氏度，只消耗0.8%的電池能量，”Wang說，“同時(shí)，嵌入的鎳箔增加了不到1.5%的重量和體積，成本也不到基準(zhǔn)電池的0.3%?！?/p>

Wang和他的同事們花了大約10年的時(shí)間，從偶然發(fā)現(xiàn)加熱電池的想法到“將其應(yīng)用到今天的各種電池原型上并加以演示和完善”。他們面臨的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)是盡可能降低這些自熱結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性——“簡(jiǎn)單是我們最復(fù)雜的任務(wù)，”他補(bǔ)充道。

研究人員現(xiàn)在正將他們的策略應(yīng)用于能量密度更大的電池化學(xué)。他們正在開發(fā)的下一代電池的目標(biāo)是達(dá)到每公斤350至400瓦時(shí)的能量密度，并將成本降至每千瓦時(shí)50美元，同時(shí)保持5至10分鐘的充電時(shí)間。希望該論文能讓人們相信，我們不需要再花費(fèi)20年才能得到這些飛行汽車了。

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