你咋還不上天呢？電動(dòng)汽車(chē)：快了

駕駛汽車(chē)飛行在林立的高樓之間，可能將不再是科幻電影的情節。隨著(zhù)垂直起降飛行器（eVTOL）技術(shù)日漸成熟，這一場(chǎng)景正逐步走向現實(shí)。

美國研究人員正在探索電動(dòng)飛行汽車(chē)的需求，并設計和測試了新型電池。研究人員利用熱調控技術(shù)，實(shí)現了兩種高比能電池在飛行汽車(chē)應用場(chǎng)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》。

“我認為飛行汽車(chē)有潛力節省大量時(shí)間，為交通運輸開(kāi)辟天空走廊?！辟e夕法尼亞州立大學(xué)電化學(xué)發(fā)動(dòng)機中心主任王朝陽(yáng)說(shuō)，“但電動(dòng)飛行汽車(chē)對電池的要求很高，非常具有挑戰性?！?/span>

飛起來(lái) 疏擁堵

對于人類(lèi)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(mèng)想。

“飛行汽車(chē)可以用來(lái)解決大都市的交通擁堵問(wèn)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(shí)，長(cháng)途旅行的平均速度為200英里每小時(shí)?！蓖醭?yáng)告訴《中國科學(xué)報》，“目前全球范圍內有近百個(gè)公司在進(jìn)行相關(guān)機器的開(kāi)發(fā)和商業(yè)化工作?！?/span>

不過(guò)，動(dòng)力電池作為電動(dòng)飛行汽車(chē)的心臟，仍然是制約其商業(yè)轉化的最主要瓶頸，相關(guān)研究十分有限。

實(shí)際上，飛行汽車(chē)電池的難點(diǎn)在于需要同時(shí)滿(mǎn)足高能量密度、高功率密度、5~10分鐘內快充能力、極長(cháng)循環(huán)壽命，以及高安全性的需求。

目前市場(chǎng)上的動(dòng)力電池可以實(shí)現部分性能要求，但無(wú)法同時(shí)滿(mǎn)足所有需求。

例如，“飛行汽車(chē)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(shí)也需要非常大的動(dòng)力?！蓖醭?yáng)說(shuō)，電池重量也是一個(gè)重要因素，因為車(chē)輛將攜帶電池提升和降落。

電池要給力

針對這些問(wèn)題，王朝陽(yáng)團隊與EC Power公司合作者，在論文中詳細探討了電動(dòng)飛行汽車(chē)對動(dòng)力電池各類(lèi)性能參數的需求。

研究發(fā)現，飛行汽車(chē)相對于傳統電動(dòng)汽車(chē)幾乎在各個(gè)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(chē)對電池能量和功率密度、快充、壽命和安全性的要求。

相比于傳統電動(dòng)汽車(chē)電池，飛行汽車(chē)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(huì )降低充電速度，而快速充電通常會(huì )縮短充電周期。

“飛行汽車(chē)電池約90%的充電場(chǎng)景為快充，遠高于電動(dòng)汽車(chē)電池（<10%）。此外，高頻率運行使飛行汽車(chē)電池在1年內要完成約1600次滿(mǎn)充滿(mǎn)放循環(huán)，相當于一輛續航400公里的電動(dòng)汽車(chē)1年內行駛64萬(wàn)公里。因此，在快充能力與循環(huán)壽命兩個(gè)方面，飛行汽車(chē)對電池都提出了更嚴格的要求。”王朝陽(yáng)說(shuō)。

此外，電動(dòng)飛行汽車(chē)的一個(gè)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(chē)電池不能在空中完全放電，因為在空中停留和著(zhù)陸都需要能量。因此這類(lèi)電池需要有一個(gè)安全邊際。

“為了安全，電動(dòng)飛行汽車(chē)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上實(shí)現，難度要比零電量的手機電池快充大很多。這個(gè)難題通過(guò)此項研究中的熱調控機理得以解決?！蓖醭?yáng)說(shuō)。

給電池加點(diǎn)熱

鑒于飛行汽車(chē)對電池快充的迫切需求，王朝陽(yáng)團隊展示了一種熱調控快速充電技術(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(jìn)而通過(guò)調節溫度以實(shí)現電池無(wú)損傷快充和大功率輸出?！?/span>

研究人員使用鎳箔加熱使電池迅速達到60攝氏度。

分析結果顯示，高溫快充可避免電池析鋰，同時(shí)縮短電池的高溫工作時(shí)間以避免電池材料的過(guò)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(chē)的起飛和降落。

“電池如果是空的，充電內阻較低，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(huì )隨著(zhù)電池充滿(mǎn)而變慢。然而，通過(guò)加熱電池，充電時(shí)間可以保持在5到10分鐘。”王朝陽(yáng)說(shuō)。

研究人員利用該技術(shù)開(kāi)展了電動(dòng)飛行汽車(chē)場(chǎng)景下的快充循環(huán)實(shí)驗，每個(gè)循環(huán)包括一次熱調控快充和一次模擬80公里飛行距離的放電。

實(shí)驗顯示，對于一款215Wh/kg的電池，熱調控技術(shù)可在5分鐘內充滿(mǎn)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，熱調控可實(shí)現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(wèn)題，王朝陽(yáng)表示，熱調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(guò)熱刺激實(shí)現的，而傳統電池必須靠提高電池材料的高活性，即以犧牲安全為代價(jià)才能獲得。

“該熱調控電池有望短時(shí)間內商業(yè)應用到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上，將能量密度提升到350~400Wh/kg, 成本降至每瓦時(shí)0.35元人民幣?！蓖醭?yáng)說(shuō)，“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(chē)?！?/span>

當然相比較韋斯萊家的飛行汽車(chē)，哈利·波特迷們可能更希望擁有一把飛行掃把。

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1016/j.joule.2021.05.001

《中國科學(xué)報》 (2021-06-09 第2版 國際 原標題為《電動(dòng)飛行汽車(chē)有戲了》)
編輯 | 趙路排版 | 志海