投资未来天空：加强航空电池研发，让电动飞行梦想照进现实！
导读
电动飞行的构想已有逾一个世纪的历史。1884年，一艘名为La France的飞艇在巴黎附近升空，其435公斤的锌氯电池为其整个旅程提供了动力。这架飞艇以约8公里的距离成为首架完成受控往返动力飞行的飞行器。尽管电力在那个时代刚开始兴起，但过去130多年间，电力系统吸引了大量的投资和关注。与此同时，飞机及其航空系统受到了技术、经济和环境诸多因素的影响，而其中最核心的是安全性。
有鉴于此，来自美国卡内基梅隆大学的Venkatasubramanian Viswanathan和麻省理工学院的Alan H. Epstein深入研究了飞机所需的电池规格以及能够满足这些需求的电池技术，从而凸显了航空与日常电池使用的不同之处。对于航空领域，比能量和安全性而不是成本是主要的关注点。研究表明，如果航空领域的投资得到加强，未来二十年我们有可能开发出具有600Wh/kg能量密度，适用于飞机的电池。
01 研究内容
对电动飞行的兴趣得益于电池技术的进步，这可能导致飞机运营成本的降低、新的飞行应用（如飞行出租车）以及减少航空对气候的碳排放。飞机的能源和动力需求极为广泛，从只需飞行几分钟的小型无人机到能飞越半个地球的大型客机。例如，小型无人机可能只需要几节手电筒大小的电池即可飞行，而大型客机的起飞能量相当于30000辆特斯拉汽车的综合能量。随着飞机大小的增加，出于成本效益的考虑，存储的能量需求也随之增长。为完成相同的任务（如载荷、航程和速度），电动飞机与燃油飞机在所需的能量上可能有很大的差异，这归因于它们在效率、重量和容积上的不同。首先，将储存的能量转化为机械动力的效率在燃油飞机中为20-55%，而在电动飞机中为80-90%。然后，燃油飞机在飞行中的重量会逐渐减少，从而影响到它的能量消耗。除了飞行所需的能量，飞机还需要带有额外的备用能源，以应对不确定的天气、交通和商务因素。随着任务的长度增加，这些储备的比例会逐渐减少，从2000公里的任务中占总能量的50%降低到11000公里任务中的10-12%。
图1 （a）生产车辆的最大功率和能量；（b）具有代表性飞机的净能量密度。不同燃料飞机之间的差异反映了发动机效率随着尺寸的增大而增加
（图源：Nature）
与液态燃料相比，电动飞机面临的主要挑战是电池的能量密度低（图2），而且对于较大的飞机，与燃气机相比，电力驱动的重量要高得多。客机所需的能量转换设备（电子设备、电机、电缆、冷却装置）现在比燃料系统重得多，但预计功率/重量比将在接下来的20年里提高2到4倍。为了减少能源需求，已经研究了许多技术和非传统飞机设计。
图2 航空中可用能量密度的历史
（图源：Nature）
02 飞机经济考虑
经济方面的考虑对电动飞机的可行性至关重要。在航空领域，大部分飞机设计受到的是体积而非重量的限制。如果电池无法像当前的燃油那样存储在机翼中，那么为了维持所需的有效载荷，可能需要增大飞机的整体体积。与此同时，飞机的直接运营成本由购置成本、燃料、维修以及机组人员工资组成。因此，如果电池的重量和功能与燃油相似，它们的购买成本也应该大致相当。
电池飞行和燃油飞行之间的一个关键经济因素是定期进行电池替换或发动机的大修。这两种方案的使用寿命都与飞行的循环次数以及飞行的具体条件（例如飞机的重量、飞行距离、环境温度等）密切相关。为了使电池替换在成本上与发动机大修相当，电池的价格不能超过每千瓦时8-13美元。
另外，电池驱动的飞机有助于减少环境污染。混合动力方案，即结合燃油发动机和电动推进系统，可能在未来二十年内为航空业提供最大的碳排放削减潜力。
03 电池设计要求
电池技术的核心指标主要包括体积和重量的能量与功率密度、成本、使用寿命以及安全性。这些属性取决于电池单元的设计以及其周围的封装和管理系统。当考虑到封装、使用寿命和安全性时，实际的电池能量密度往往会降低，因此真正可供飞行使用的能量也会相应减少。
尽管大部分现有的电池研究和开发都是为了满足地面交通、便携式电子产品和电网存储的需求，但航空领域的需求与之有所不同。特别是，由于航空领域需要较大的飞行能量储备，飞行中的电池很少被放电到极低的水平。这意味着，不仅需要研究具有更高能量密度和比能量的电池化学还需要努力降低封装、使用寿命和安全性方面的开销。
图3 电池性能与飞机航程的对应关系
（图源：Nature）
更为关键的是，航空电池经常在比地面车辆更为恶劣的环境下工作。其具体的运行环境因飞机的类型和任务而有所不同。因此，任何为航空应用开发的电池技术都必须考虑到这些独特的需求和挑战。
04 潜在的电化学解决方案
锂金属负极在高电压和存储容量电池中至关重要。过去十年，其库仑效率和循环寿命有所增强，也避免了枝晶造成的内部短路，为锂金属技术商业化铺路。固态无机电解质与锂金属负极的结合有望提高电池安全性。表1展示了可配对的正极选择和性能，包括热力学电压、电子转移数、理论容量等。其中，转化反应正极提供了最高能量密度，可能使能量密度较当前锂离子电池提高3到5倍。
参考文献
[1] Xiao, J., Shi, F., Glossmann, T. et al. From laboratory innovations to materials manufacturing for lithium- d batteries. Nat Energy 8, 329–339 (2023).
