evtol的电池取得突破

 

锂空气电池因其储存的电力远比目前的锂离子电池多而被重点关注。但锂空气电池一直都有一个致命弱点：无法按照商业应用（包括航空旅行）的要求实现反复充电和放电，最近关于最关键的突破有了进展。

 

在伊利诺伊理工学院，两个叠放的一角硬币大小的黑色和灰色圆盘，电线连接到一台电脑显示屏用来显示电压测量值，这种单电池实验正在推动锂空气电池研究的尝试，也是一种仍在实验阶段的电池，至少十年来一直吸引着电池研究人员。

 

有什么吸引力？锂空气电池吸入环境空气，并从中清除氧分子。这样锂离子电池中的金属条就不需要在充电过程中为氧化反应提供能量。同样，不需要石墨晶格结构来容纳锂并提供锂离子，因此可以从电池中提取电力。然而，最重要的可能是锂-氧的直接化学反应，比锂离子形式的金属氧化物反应更能储存电能。事实上，据一项估计，锂空气电池有一天可以比特斯拉电池每公斤多储存五倍的电量，从而使这些电池具有潜在的优势。

 

将单个电池放大10至15倍，将数千个电池组合成一个大电池，乐观地说，其中几个电池可以为一架100人的支线飞机供电。那么，今天的飞机为什么不依靠锂空气电池供电呢？原因是这些电池在经历多次充电和放电循环时会过早损耗。1000次循环的基准设定是判断电池商业可行性的门槛，并将其扩展到航空领域。

 

2021年9月，由化学工程助理教授Asadi领导的研究团队测试了其解决方案。在当时，还没有人制造出锂空气电池的寿命可以超过200次。该团队计划将电池运行到失败状态，看看其真正的生命周期。结果表明，答案是略高于1000个循环的阈值。

 

随后，Asadi和他的博士生以及博士后研究员招募了其他专家来分析电池的化学成分，这个团队共有17人，在2023年2月3日的《科学》杂志上发表了一种由固体电解质驱动的室温可充电Li2O基锂空气电池研究结果。

 

那么该团队是如何在充电能力突破的背后制造出单电池的呢？是从一个关键限制开始：为了实用，电池必须在室温下工作。以前的室温设计包含液体电解质，这种材料在阴极和阳极之间携带离子。但在2019年，Asadi开始构建固态电解质版本，虽然不确定电池的充电能力，但至少可以看到两个潜在的优势：安全性，以及减轻重量和体积的能力。

 

这些新型锂空气电池的设计和伊利诺伊州技术研究团队在2021完成了1000多个充电周期相同，这极有可能是商业化的第一步，包括航空业

 

液体电解质通常是易燃的，进而使得电池中产生不良的组合，热量、氧气和易燃材料会快速引发火灾。

 

固态电池是一种带有固态电解质的电池，比需要含有液态电解质的电池更轻、更容易制造。固体电解质也会有些柔韧，因此它可以成形为任何方便的几何形状。固态电池为不同变体架构中的扩展设备应用程序提供了更大的自由度和灵活性。

 

问题是什么材料应该用作固体电解质，今天为汽车和手机供电的锂离子电池含有液态电解质，尽管有很多的研究人员正在开发固态电池。但是通过研究这些实验性锂离子电池，明显需要一种替代品来替代这些不完美的选择。其中一种选择是含有锂的陶瓷，这种材料具有很高的导电性，但它也会与阳极和阴极形成不良的电界面。另一种选择是聚环氧乙烷，这是一种聚合物，锂离子很容易从阴极或阳极进入，也很容易从中流出。缺点是一旦进入聚合物内部，离子就不容易通过。

 

Asadi团队决定以一种结合两者最佳特性的方式将两者混合为一种电解质，可以让离子轻松通过，也可以轻松穿过阳极和阴极的界面。通过混合了一批替代品，测试电气能力并调整下一批的成分，通过不断重复这一过程，直到最终确定最佳的替代品。最终的方案由直径仅70纳米的陶瓷颗粒组成，不到一粒面粉的一半大小。通过在这些颗粒上涂上一层聚合物，然后将其混合到聚环氧乙烷中，每个颗粒上的聚合物涂层为离子在陶瓷颗粒和聚环氧乙烷之间通过提供强大的化学键。

 

将电解质混合成浆料，倒入培养皿中，在室温下干燥三天，然后在50摄氏度（122华氏度）的真空下再干燥两天。

 

在2021的测试之后，查看到了效果很好的电解质离子电导率测试结果，还有令人印象深刻的比能量，单电池每千克可储存685wh，如果进行设计调整，至少可以达到1000wh/kg。这大约是最先进锂离子电池容量的三倍，但仍低于特斯拉电池五倍的预期上限。

 

但最好结果是该电解质突破了1000次循环的门槛，不过Asadi团队并不不确定电池单元内的哪些因素产生了这种结果。为了寻求答案，需要寻求外部团队的帮助。

 

通过一个17人的小组用各种方法检查阴极和电解质。具体来说是寻找化学反应，以解释电池单元重复循环的能力和大的存储容量。已知的是在锂空气电池中，关键的能量产生反应发生在阴极上。当电池放电时，锂离子从锂阳极通过电解质流到阴极。在阴极，离子与空气中的氧反应，形成三种可能的化合物之一：超氧化物锂，每个氧分子需要一个锂电子；需要两个电子的过氧化锂；或者需要四个电子的锂。这四个电子反应将提供最大的储存容量，但历史上，只有包含熔融电解质的高温锂空气设计实现了该反应。分析表明，Asadi的电池在放电和再充电周期中产生了这四个电子反应，这是室温电池第一次实现。通常液体电解质版本只产生了一个或两个电子反应。这是为什么说该项成果是一个重大电池突破的原因。

 

具体而言，扫描电子显微镜的图像显示固态电池中的锂沉积在500纳米深的谷中的阴极粗糙表面上。在电池充电过程中，锂离子向另一个方向流动，锂离子分解，并重新沉积在锂金属阳极上。

 

锂空气电池可能成为先进空中交通锂离子电池组的替代品。锂离子驱动的Beta SN-1电动测试飞机在佛蒙特州充电

 

研究人员认为，电池持续多次循环的能力来自两个方面：锂的可靠生长和分解，以及固体电解质。由于电池中没有液体接触阴极，与液体电解质电池内部发生的情况相比，发生意外化学反应的途径更少。这是为什么研究人员认为其可以运行更长时间的原因，因为没有途径促成这些副反应，寄生反应，破坏电解质或阴极表面。

 

四电子锂反应也解释了Asadi电池储存1000 Wh/kg的潜力。能够提供1000Wh/kg的电池对于短途飞机来说将是变革性的，也是电池开发的里程碑，对于一些较短的航班会变得更具有可行性。

 

未来电动飞机的具体能源需求将取决于飞行的距离和搭载的人数。虽然目前先进空中交通飞机原型是由锂离子电池供电的，但电池容量有限，意味着只能为搭载少量乘客的短距离飞行供电。根据《自然》杂志上的一篇论文，300至400 Wh/kg的电池会达到锂离子电池所能提供的上限，其可以为先进空中交通飞机提供动力，用于市内旅行。最多19个座位的通勤飞机需要1200至1800 Wh/kg，150至180个座位的飞机需要1800至2500 Wh/kg。

 

根据20世纪70年代构想的锂离子电池开发时间表进行估算，即使有了固体电解质锂空气电池的突破，锂空气电池还需要10到15年的发展和规模扩大，才能为飞机提供动力。

 

未来，研究人员将继续提高电池的比能量，并增加充电周期。此外，将尝试降低电池充满电所需的电量，这是电池的充电效率，并加快电池放电后再充电的速度，这是充电率。

 

对于锂空气电池的规模化而言拥有相当的挑战，但是克服的挑战不一定比任何化学电池都要艰巨。研究人员希望在扩大技术规模时遇到新的问题，将该技术做成一个电池单元是一个件事情，而把它做成飞机上可用的电池动力是另外一件事情。

 

同时，获取足够的材料可能是一个严重的问题。例如，考虑电池的阴极。在制作实验室规模的版本时，研究人员可以一次制作一克材料。更大的电池需要千克的材料，而制造大量的电池需要装满货车的原材料。今天锂离子电池的历史表明，这个问题应该是可以解决的。早在1980年，一种可能有用的阴极材料以克为单位，而今天，可以用数千吨，甚至数百万吨统计。

 

卡耐基梅隆大学机器人可以帮助研究人员更快测试新电池组件的工具之一。将不同电解质溶液的小瓶插入湿度控制的手套箱中。在内部，机器人将自动混合解决方案，以确定所有可能的组合

 

乐观地预测，无论是锂空气电池还是正在开发的另一种电池技术，锂/氟化碳电池，都将为大约十年内最长航程的电动飞机提供动力。预计用五年时间来研究这一科学，用两三年时间来扩大电池生产工厂和供应线，借用特斯拉最近快速扩大工厂规模的做法，然后用两三年的时间进行FAA认证。

 

与锂离子电池相比，三项技术将缩短当今新一代电池的开发时间。机器学习现在允许研究人员进行实验室测试之前，在计算机上进行更多的虚拟测试。在实验室里24小时工作的机器人可以以比人类测试人员更快的速度混合和测试更多不同的电池材料。

 

在设计周期中，希望尽可能在计算机上进行测试，这会极大降低成本。像X射线断层摄影这样的工具，可以随着时间的推移记录X射线在化学反应中的偏转，以及电子显微镜（通过电子束对准反应来记录图像），可以让研究人员拍摄原子的“电影”，准确地看到发生了什么和可能发生什么。所有这些都将加速发现和优化过程。

 

卡耐基梅隆大学的团队制造了一个机器人，在无人干预的情况下测试电解质候选方案。测试替代化学物质，无论是机器人还是通过计算机模拟。这成为了电池创新的源动力，以更快的速度发展。