镍箔加热方案助力科学家打造下一代高性价比eVTOL快充电池

2021年06月18日 15:54 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

随着电动垂直起降(eVTOL)概念的兴起,该行业对于电池性能的独特要求,也带来了极大的挑战。与在道路上驰骋的 EV 动力电池相比,我们除了能量密度和输出功率,还需考虑到 eVTOL 电池在快充效率、循环寿命、以及最重要的电池安全性等方面的表现。

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研究配图(来自:Cell / Joule

近年来,我们已经见到越来越多的 eVTOL 项目。其主打短途城市空中交通服务,以避开地面道路的拥堵。

除了优化载具的机身设计,各维度表现均相当优异的 eVTOL 电池,也是此类项目不可或缺的一环。

比如电池的能量密度要高,但体积重要也要相当轻盈。且在起降期间,此类电池又必须能够输出足够高的功率。

好消息是,在《焦耳》期刊上发表的一篇文章中,宾夕法尼亚州立大学汽车、机械、化学材料工程师,兼电化学动力中心主任的 Chao-Yang Wang 表示:

其研究的带有镍箔的锂离子不仅能够快充,还可维持 80 公里的续航里程。

而要达成合理的成本目标,eVTOL 必须能够承受在早晚高峰时段的 15 次出行。

比如从一个城市到某一做机场,搭载 3~4 名乘客并飞行大约 80 公里。

但要让多个方面都达到理想的目标,显然还有着特别多的牵制。比如快充往往导致电池的循环充电次数较少,而高能量密度又会降低充电速度。

不过现在,其带领的这支研究团队,已经开发出了能够制程 80 公里 eVTOL 续航、能量密度 271 Wh / kg、可实现 5~10 分钟快充、以及 2000 次充放电循环的原型电池。

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Chao-Yang Wang 表示,他们已经打造出了在商业上可行的第一版 eVTOL 电池。他与同事们耗费了大约 10 年时间,从偶然发现电池的想法、一路走到了完善演示的各种电池原型。

而他们遇到的最大挑战,就是尽可能降低这些自热结构的复杂性。为此,科学家们将 10 微米厚度的镍箔引入了电池,以帮助其迅速升温至 60 ℃,从而达成最佳快充效率、而不会形成可能刺破内部电芯的锂枝晶。

此外加热还有助于缓解 eVTOL 电池在运行时不允许完全放电的问题,因为系统总得预留一部分电量,以应对起降阶段的大功率用电需求。

但当电池电量耗尽之时,其充电电阻也相对较低。当剩余电量越多时,充电速度也会越慢。庆幸的是,在加热 eVTOL 原型电池的时候,我们发现这有助于其快速释放剩余能量,并迅速启用快速充电。

Chao-Yang Wang 表示,这项自加热技术的速度为每秒 1~5 ℃ 。即便温度每升高 10 ℃,其能量消耗也仅为 0.8% 。

与此同时,嵌于 eVTOL 电池的镍箔,只会增加不到 1.5% 的重量体积、以及不到 0.3% 的额外成本。

目前研究团队正尝试将这套方案运用于更高能量密度的电化学应用,且他们的目标是打造出能量密度高达 350~400 Wh / kg、支持 5~10 分钟快充、且成本低至 50 美元 / kWh 的下一代 eVTOL 电池。

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