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Nature: 電池供電飛機(jī)的機(jī)遇及技術(shù)挑戰(zhàn)

電池驅(qū)動飛行的夢想已有一百多年的歷史。1884年，52米長的飛艇La France在巴黎附近起飛，由重達(dá)435公斤的鋅氯電池提供動力，這是歷史上第一架完成受控、動力往返飛行的飛行器。飛機(jī)及航空生態(tài)系統(tǒng)受到技術(shù)要求、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境問題之間復(fù)雜交易的影響，所有這些都建立在安全的基礎(chǔ)上。

圖1. 飛行所用的能量和動力

在此，美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)Venkatasubramanian Viswanathan和麻省理工學(xué)院Alan H. Epstein等人探討了電池供電飛機(jī)的要求以及有望實(shí)現(xiàn)這些要求的化學(xué)物質(zhì)，突出了飛行和陸地需求和化學(xué)之間的差異。作者首先列出了飛機(jī)需要實(shí)現(xiàn)進(jìn)步時影響電池性能的因素，出于經(jīng)濟(jì)考慮，電動（電池驅(qū)動）飛行的可行性需要考慮比能量、功率、重量、成本和安全性。

此外，由于效率、重量和體積的差異，為相同任務(wù)（有效載荷、航程和速度）配置的電動和燃料飛機(jī)所需的能量可能存在很大差異。除了考慮飛行動力，飛機(jī)還必須攜帶應(yīng)急儲備以應(yīng)對天氣、擁堵等。當(dāng)前電動飛機(jī)面臨的主要挑戰(zhàn)是電池的能量密度低，而且對于較大的飛機(jī)，與燃?xì)鈾C(jī)相比，電力驅(qū)動的重量要高得多。

圖2. 在電池水平上實(shí)際實(shí)現(xiàn)的比能量的各種損失的圖示

同時，實(shí)用的航空電池需要在較寬的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行，并提供較長的循環(huán)和日歷壽命、充足的倍率和快速充電能力及安全性，然而同時實(shí)現(xiàn)這些會導(dǎo)致理論上可用的比能量顯著降低。作者從理論性能指標(biāo)的第一性原理推理開始，目的是確定一組值得在航空應(yīng)用中進(jìn)一步研究的化學(xué)選項(xiàng)。最終，作者確定了幾種具有高能量密度的候選化學(xué)物質(zhì)，以滿足具有挑戰(zhàn)性的電動航空目標(biāo)。

基于這一分析，作者假設(shè)能夠加速進(jìn)展的新工具（如表征和計(jì)算）得到充分利用且研發(fā)投資充足，預(yù)計(jì)在未來十年（2030年前后）能夠?qū)崿F(xiàn)航空用電池性能指標(biāo)，即適合飛行的電池組應(yīng)具有接近600 Wh/kg的比能量。

圖3. 當(dāng)前基于插層的鋰離子電池和未來可能基于轉(zhuǎn)換的電池機(jī)制差異

The challenges and opportunities of battery-powered flight, Nature 2022. DOI: 10.1038/s41586-021-04139-1

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