?Nature：電池能量密度突破600Wh／kg，將開啟萬億級市場

第一作者：Venkatasubramanian Viswanathan

通訊作者：Venkatasubramanian Viswanathan，Alan H. Epstein

通訊單位：卡內基梅隆大學，麻省理工學院

眾所周知，由電池驅動飛行的夢想已有一百多年的歷史了。1884年，52米長的飛艇La France在巴黎附近起飛，搭載435公斤的鋅氯電池為整個過程提供了動力。La France成為歷史上第一款完成受控、動力往返飛行的飛行器，其飛行距離約為8公里。在當時，電力還處于起步階段，在之后的130多年里，大量時間和金錢被花費在電力系統上。同時，飛機及其航空運輸系統受到技術要求、經濟和環境問題之間復雜的影響，且所有這些都建立在安全的基礎上。

【成果簡介】

鑒于此，美國卡內基梅隆大學Venkatasubramanian Viswanathan和麻省理工學院Alan H. Epstein（共同通訊作者）詳細探討了為飛機供電的電池要求，以及有望實現這些要求的電池系統，從而突出了航空飛行和日常需求電池之間的差異。其中，安全性、可用的比能量而非成本是航空業的主要制約因素。基于之前的研究得出結論，如果有足夠的針對航空應用的投資，在未來二十年內有望研發出具有600 Wh kg^-1適合飛機飛行的電池組。相關研究成果“The challenges and opportunities of battery-powered flight”為題發表在Nature 上。

【核心內容】

1.飛機和電動飛行

對電池供電飛行的興趣源于先進電池的發展，比如飛機經濟性提高，新的飛機效用（飛行出租車），或者通過減少碳排放來減少航空對氣候變化的影響。飛機的能源和動力需求跨越七個數量級，從飛行幾分鐘的幾公斤無人機到飛半個地球的客機（圖1a）。一架小型無人機可以依靠幾個手電筒電池的能量飛行，而一架大型客機則以30000輛特斯拉汽車的能量起飛。出于經濟考慮，這種存儲的能量轉換隨著飛機尺寸的增加而增加（圖 1b）。由于效率、重量和體積的差異，為相同任務（有效載荷、航程和速度）配置的電動飛機和燃料飛機所需的能量可能存在很大差異。首先，存儲能量轉換為軸功率的效率可能不同，燃油飛機為20-55%，而電動飛機為80-90%。其次，燃油飛機的重量在飛行過程中會減少5-40%，消耗的能量與重量成正比。此外，除了考慮飛行能量，飛機還必須攜帶應急儲備，以應對天氣、擁堵和商業考慮。儲備百分比隨著任務長度的增加而降低，從2000公里處機載總能量的50%下降到11000公里處的10-12%。

圖1. （a）生產車輛的最大功率和能量；（b）具有代表性飛機的凈能量密度。不同燃料飛機之間的差異反映了發動機效率隨著尺寸的增大而增加。

與液態燃料相比，電動飛機面臨的主要挑戰是電池的能量密度低（圖2），而且對于較大的飛機，與燃氣機相比，電力驅動的重量要高得多。客機所需的能量轉換設備（電子設備、電機、電纜、冷卻裝置）現在比燃料系統重得多，但預計功率/重量比將在接下來的20年里提高2到4倍。為了減少能源需求，已經研究了許多技術和非傳統飛機設計。

圖2. 航空中可用能量密度的歷史。

2.飛機經濟考慮

經濟將對電動飛機的生存能力產生至關重要的影響。其中，大多數航班都受到體積限制而不是重量限制。如果電池不能像當前客機上的燃料那樣攜帶在機翼內，則必須增加飛機的尺寸以保持有效載荷體積。同時，飛機直接成本包括所有權、燃料、維護和機組人員。因此，如果電池的重量相同且性能相同，則其購買價格將大致相同。電池和燃料飛行的主要成本因素是定期更換電池或發動機大修。在這兩種情況下，使用壽命都與飛行周期數和飛行的具體情況（飛機重量、飛行長度、環境溫度等）有關。為了使電池更換與發動機大修相比具有成本競爭力，電池的成本不應超過每千瓦時8-13美元。此外，電池供電能夠減少對環境的污染，通過使用混合動力推進燃料發動機與電力驅動器相結合，這可能在未來二十年內具有最大的減少碳排放的潛力。

3.電池設計要求

主要的電池指標包括體積和重量能量和功率密度、成本、壽命和安全性。這些屬性反映了電池單元的設計以及圍繞它們的封裝和控件。考慮到封裝、壽命和安全性，電池能量密度降低，剩余的能量是可用于飛行的能量。當前的大部分電池研究和開發都集中在地面交通、便攜式電子設備和電網存儲的需求上。在對電池技術很重要的某些領域，航空需求有所不同。由于所需的飛行能量儲備相對較大，航空電池很少會放電到低水平。因此，不僅在具有更高能量密度和比能量的電池化學中具有價值，而且在降低包裝、壽命和安全開銷方面也具有價值。更加重要的是，航空電池的運行環境通常也比車輛更極端，具體條件因飛機類型和任務而異。

圖4. 在電池水平上實際實現的比能量。

4.潛在的電化學解決方案

可充電金屬負極，尤其是鋰金屬，是實現高電池電壓和存儲容量的關鍵因素。在過去十年中，在提高鋰金屬負極的庫侖效率和循環壽命方面取得了明顯進步，同時避免了與枝晶相關的災難性內部短路，這些進步正在引領可充電鋰金屬技術走向成熟和商業化，在未來十年內將有可能實現同時提供電動飛機所需的所有性能指標。此外，將不易燃固態無機電解質與鋰金屬負極配對使用，有望為安全性的電池架構開辟新的可能性。此外，使用表1中列出的是可與鋰和非鋰金屬負極配對的正極選擇（包括插入和轉換）及其性能特征，包括熱力學電壓、轉移的電子數、理論容量和理論比能。表1表明，最高能量密度與所謂的轉化反應正極有關，盡管轉化反應通常在機械上很復雜，并且需要從原子水平向上控制多個長度尺度的結構，以便獲得理論上可用的存儲容量，但這些化學反應有可能將材料水平的能量密度比當前基于嵌入的鋰離子電池提高3到5倍。

表1. 各種化學成分的理論指標

【文獻信息】

Venkatasubramanian Viswanathan^?, Alan H. Epstein^?, Yet-Ming Chiang, Esther Takeuchi, Marty Bradley, John Langford，Michael Winter，The challenges and opportunities of battery-powered flight, 2022.

https://doi.org/10.1038/s41586-021-04139-1