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電動(dòng)飛行汽車需要新一代電池技術(shù)。圖片來源：Eric Rountree, EC Power

■本報(bào)記者 唐鳳

駕駛汽車飛行在林立的高樓之間，可能將不再是科幻電影的情節(jié)。隨著垂直起降飛行器（eVTOL）技術(shù)日漸成熟，這一場(chǎng)景正逐步走向現(xiàn)實(shí)。

美國(guó)研究人員正在探索電動(dòng)飛行汽車的需求，并設(shè)計(jì)和測(cè)試了新型電池。研究人員利用熱調(diào)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了兩種高比能電池在飛行汽車應(yīng)用場(chǎng)景下的快速充電和高使用壽命。6月7日，相關(guān)論文刊登于《焦耳》。

“我認(rèn)為飛行汽車有潛力節(jié)省大量時(shí)間，為交通運(yùn)輸開辟天空走廊?！辟e夕法尼亞州立大學(xué)電化學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)中心主任王朝陽說，“但電動(dòng)飛行汽車對(duì)電池的要求很高，非常具有挑戰(zhàn)性。”

飛起來 疏擁堵

對(duì)于人類而言，飛上云霄甚至遨游太空已觸手可及。但是，想飛就飛的便捷飛行方式仍是很多人的夢(mèng)想。

“飛行汽車可以用來解決大都市的交通擁堵問題，例如用于早、晚高峰的城市出行。一旦起飛，其短途旅行的平均速度將為100英里每小時(shí)，長(zhǎng)途旅行的平均速度為200英里每小時(shí)?！蓖醭柛嬖V《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，“目前全球范圍內(nèi)有近百個(gè)公司在進(jìn)行相關(guān)機(jī)器的開發(fā)和商業(yè)化工作。”

不過，動(dòng)力電池作為電動(dòng)飛行汽車的心臟，仍然是制約其商業(yè)轉(zhuǎn)化的最主要瓶頸，相關(guān)研究十分有限。

實(shí)際上，飛行汽車電池的難點(diǎn)在于需要同時(shí)滿足高能量密度、高功率密度、5~10分鐘內(nèi)快充能力、極長(zhǎng)循環(huán)壽命，以及高安全性的需求。目前市場(chǎng)上的動(dòng)力電池可以實(shí)現(xiàn)部分性能要求，但無法同時(shí)滿足所有需求。

例如，“飛行汽車的電池需要有非常高的能量密度，這樣它才能在空中停留。它在起飛和降落時(shí)也需要非常大的動(dòng)力?！蓖醭栒f，電池重量也是一個(gè)重要因素，因?yàn)檐囕v將攜帶電池提升和降落。

電池要給力

針對(duì)這些問題，王朝陽團(tuán)隊(duì)與EC Power公司合作者，在論文中詳細(xì)探討了電動(dòng)飛行汽車對(duì)動(dòng)力電池各類性能參數(shù)的需求。研究發(fā)現(xiàn)，飛行汽車相對(duì)于傳統(tǒng)電動(dòng)汽車幾乎在各個(gè)方面都對(duì)電池提出了更高的要求。

該研究詳細(xì)分析了飛行汽車對(duì)電池能量和功率密度、快充、壽命和安全性的要求。相比于傳統(tǒng)電動(dòng)汽車電池，飛行汽車電池要求在更高的放電倍率下釋放更大的比能量，并擁有更好的安全性。

但在正常情況下，電池具有高能量密度就會(huì)降低充電速度，而快速充電通常會(huì)縮短充電周期。

“飛行汽車電池約90%的充電場(chǎng)景為快充，遠(yuǎn)高于電動(dòng)汽車電池（<10%）。此外，高頻率運(yùn)行使飛行汽車電池在1年內(nèi)要完成約1600次滿充滿放循環(huán)，相當(dāng)于一輛續(xù)航400公里的電動(dòng)汽車1年內(nèi)行駛64萬公里。因此，在快充能力與循環(huán)壽命兩個(gè)方面，飛行汽車對(duì)電池都提出了更嚴(yán)格的要求?！蓖醭栒f。

此外，電動(dòng)飛行汽車的一個(gè)獨(dú)特之處在于，它的電池必須一直保持一定電量。例如，飛行汽車電池不能在空中完全放電，因?yàn)樵诳罩型Ａ艉椭懚夹枰芰?。因此這類電池需要有一個(gè)安全邊際。

“為了安全，電動(dòng)飛行汽車在降落后必須仍然保有25%~40%的電量。所以其快充必須在高剩余電量的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)，難度要比零電量的手機(jī)電池快充大很多。這個(gè)難題通過此項(xiàng)研究中的熱調(diào)控機(jī)理得以解決。”王朝陽說。

給電池加點(diǎn)熱

鑒于飛行汽車對(duì)電池快充的迫切需求，王朝陽團(tuán)隊(duì)展示了一種熱調(diào)控快速充電技術(shù)，其核心是“高溫充電，環(huán)境溫度放電”。

“我們發(fā)明的新型電池基于熱調(diào)控原理。在電芯里埋有一片10微米的鎳箔作為發(fā)熱體，然后利用電池自身的能量極速加熱電芯，進(jìn)而通過調(diào)節(jié)溫度以實(shí)現(xiàn)電池?zé)o損傷快充和大功率輸出?！?/p>

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。

“電池如果是空的，充電內(nèi)阻較低，但剩余電量越高，就越難將更多的能量充入電池。充電速度通常會(huì)隨著電池充滿而變慢。然而，通過加熱電池，充電時(shí)間可以保持在5到10分鐘。”王朝陽說。

研究人員利用該技術(shù)開展了電動(dòng)飛行汽車場(chǎng)景下的快充循環(huán)實(shí)驗(yàn)，每個(gè)循環(huán)包括一次熱調(diào)控快充和一次模擬80公里飛行距離的放電。實(shí)驗(yàn)顯示，對(duì)于一款215Wh/kg的電池，熱調(diào)控技術(shù)可在5分鐘內(nèi)充滿80公里飛行所需的電量，且電池壽命可達(dá)到3800次循環(huán)。對(duì)于另一款更高能量密度（271 Wh/kg）的電池，熱調(diào)控可實(shí)現(xiàn)10分鐘充電，且壽命達(dá)到2000次循環(huán)。

針對(duì)目前屢有發(fā)生的電池爆燃問題，王朝陽表示，熱調(diào)控電池比普通電池更安全，因?yàn)樗诘蜏丨h(huán)境中的功率性能是通過熱刺激實(shí)現(xiàn)的，而傳統(tǒng)電池必須靠提高電池材料的高活性，即以犧牲安全為代價(jià)才能獲得。

“該熱調(diào)控電池有望短時(shí)間內(nèi)商業(yè)應(yīng)用到eVTOL。目前我們?cè)谘邪l(fā)第二代產(chǎn)品，即在上述第一代電池的基礎(chǔ)上，將能量密度提升到350~400Wh/kg, 成本降至每瓦時(shí)0.35元人民幣?！蓖醭栒f，“我希望這篇論文能讓人們相信，我們不需要再花費(fèi)20年才能得到這些飛行汽車?！?/p>

當(dāng)然相比較韋斯萊家的飛行汽車，哈利·波特迷們可能更希望擁有一把飛行掃把。

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1016/j.joule.2021.05.001