锂离子电池新转变助力电动飞行汽车成为现实

如果说让飞行汽车工作是一项挑战的话，那么电动飞行汽车就是一个更难解决的问题，因为它需要承载电池的重量，以及它们输出能量的速度有多快。动力电池作为电动飞行汽车的心脏，成为制约其商业化运行的最主要瓶颈，其相关的研究却十分有限。但锂离子电池的一个新的转变可能有助于将这一切成为现实。

电动垂直起降飞行器（eVTOL）在城市空中机动服务中引起了越来越多的关注，它可以打开城市的空中走廊供人们出行。通过将直升机在本地起降时的便利性与飞机的高效空气动力飞行以及电动汽车的低噪音和环境影响结合起来，电动飞行汽车可能有助于城市减少交通拥堵。事实上，德国慕尼黑的管理咨询公司Roland Berger在2020年的一份报告中，确定了全球正在进行的95个eVTOL项目。

然而，为电动飞行汽车开发电池一直是一个挑战。研究人员不得不担心其重量。当飞行器在起飞和着陆过程中垂直移动时，它们必须提供非常高的功率。它们还需要高能量密度才能在空中停留一段时间。

此外，由于eVTOL飞行器的商业模式最初可能会涉及空中出租车服务，因此它们的电池需要快速且经常充电，以便在高峰时间赚取高额收入。这项研究的资深作者，宾夕法尼亚州立大学电化学发动机中心主任Chao-Yang Wang说，飞行汽车主要是为了缓解城市的交通拥堵状况，其主要工作于早高峰 （ 600 ） 和晚高峰 （ 1600 ） 。因此，在两次行程的短暂间隔内 （ 约 5-10 分钟，用于交换乘客 ） 给电池充入足够的能量，是保证飞行汽车在早晚高峰中连续运行从而实现营收最大化的关键。他同时指出，这些令人满意的特征中有许多相互矛盾。例如，快速充电通常会减少可能的充电循环次数，而高能量密度会降低充电速度。

现在Wang和他的同事已经开发出了电池原型设计，他们表示可以支持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使用寿命内可维持2000多次快速充电循环，充电时间仅为5到10分钟。“第一代电池的商业可行性飞行器现在是可用的，”Wang说。

科学家们依靠他们为标准电动汽车开发的技术，在电池中加入10微米薄的镍箔，帮助电池快速加热到60摄氏度。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，同时缩短电池的高温工作时间以避免电池材料的过快老化。而且，加热电池可以快速释放电池中的能量，以保证汽车的起飞和降落。

加热还可以帮助电动飞行器解决一个问题，即它们的电池在运行时永远不能完全放电，因为它们总是要保留一些电荷才能在空中停留和着陆。当电池电量耗尽时，其充电电阻很低，但剩余电量越高，充电越慢。加热eVTOL原型电池可以帮助它们快速释放剩余能量，这样它们就可以快速充电。

“我们的自加热技术的加热速度为每秒1到5摄氏度，每升高10摄氏度，只消耗0.8%的电池能量，”Wang说，“同时，嵌入的镍箔增加了不到1.5%的重量和体积，成本也不到基准电池的0.3%。”

Wang和他的同事们花了大约10年的时间，从偶然发现加热电池的想法到“将其应用到今天的各种电池原型上并加以演示和完善”。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。

研究人员现在正将他们的策略应用于能量密度更大的电池化学。他们正在开发的下一代电池的目标是达到每公斤350至400瓦时的能量密度，并将成本降至每千瓦时50美元，同时保持5至10分钟的充电时间。希望该论文能让人们相信，我们不需要再花费20年才能得到这些飞行汽车了。

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