熱調(diào)控電池讓商業(yè)化成為可能

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

■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，這一場景正逐步走向現(xiàn)實。

美國研究人員正在探索電動飛行汽車的需求，并設(shè)計和測試了新型電池。研究人員利用熱調(diào)控技術(shù)，實現(xiàn)了兩種高比能電池在飛行汽車應(yīng)用場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)省大量時間，為交通運輸開辟天空走廊。”賓夕法尼亞州立大學(xué)電化學(xué)發(fā)動機中心主任王朝陽說，“但電動飛行汽車對電池的要求很高，非常具有挑戰(zhàn)性。”

飛起來 疏擁堵

對于人類而言，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，長途旅行的平均速度為200英里每小時。”王朝陽告訴《中國科學(xué)報》，“目前全球范圍內(nèi)有近百個公司在進行相關(guān)機器的開發(fā)和商業(yè)化工作。”

不過，動力電池作為電動飛行汽車的心臟，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。

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

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。它在起飛和降落時也需要非常大的動力。”王朝陽說，電池重量也是一個重要因素，因為車輛將攜帶電池提升和降落。

電池要給力

針對這些問題，王朝陽團隊與EC Power公司合作者，在論文中詳細探討了電動飛行汽車對動力電池各類性能參數(shù)的需求。研究發(fā)現(xiàn)，飛行汽車相對于傳統(tǒng)電動汽車幾乎在各個方面都對電池提出了更高的要求。

該研究詳細分析了飛行汽車對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降低充電速度，而快速充電通常會縮短充電周期。

“飛行汽車電池約90%的充電場景為快充，遠高于電動汽車電池（<10%）。此外，高頻率運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)壽命兩個方面，飛行汽車對電池都提出了更嚴(yán)格的要求。”王朝陽說。

此外，電動飛行汽車的一個獨特之處在于，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，因為在空中停留和著陸都需要能量。因此這類電池需要有一個安全邊際。

“為了安全，電動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)上實現(xiàn)，難度要比零電量的手機電池快充大很多。這個難題通過此項研究中的熱調(diào)控機理得以解決。”王朝陽說。

給電池加點熱

鑒于飛行汽車對電池快充的迫切需求，王朝陽團隊展示了一種熱調(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，進而通過調(diào)節(jié)溫度以實現(xiàn)電池?zé)o損傷快充和大功率輸出。”

研究人員使用鎳箔加熱使電池迅速達到60攝氏度。分析結(jié)果顯示，高溫快充可避免電池析鋰，同時縮短電池的高溫工作時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。充電速度通常會隨著電池充滿而變慢。然而，通過加熱電池，充電時間可以保持在5到10分鐘。”王朝陽說。

研究人員利用該技術(shù)開展了電動飛行汽車場景下的快充循環(huán)實驗，每個循環(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。實驗顯示，對于一款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，且電池壽命可達到3800次循環(huán)。對于另一款更高能量密度（271 Wh/kg）的電池，熱調(diào)控可實現(xiàn)10分鐘充電，且壽命達到2000次循環(huán)。

針對目前屢有發(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，因為它在低溫環(huán)境中的功率性能是通過熱刺激實現(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才能獲得。

“該熱調(diào)控電池有望短時間內(nèi)商業(yè)應(yīng)用到eVTOL。目前我們在研發(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0.35元人民幣。”王朝陽說，“我希望這篇論文能讓人們相信，我們不需要再花費20年才能得到這些飛行汽車。”

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。