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宾州州立王朝阳院士团队最新突破:热调控电池让电动飞行汽车商业化成为现实

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在科幻电影中,未来人类驾驶着可以飞行的汽车在高楼林立的城市中穿梭。随着垂直起降飞行器(eVTOL)技术的成熟,这一场景正逐步走向现实。然而,动力电池作为电动飞行汽车的心脏,成为制约其商业化运行的最主要瓶颈,其相关的研究却十分有限。

6月7日,美国宾州州立大学王朝阳院士团队在能源领域顶级期刊《焦耳》(Joule)发文,详细探讨了电动飞行汽车这一独特的运行场景对动力电池各类性能参数的需求。研究发现,飞行汽车相对于传统几乎在各个方面都对电池提出了更高的要求。而电池的快速充电能力是缩小飞行器和电池包尺寸(降低成本)同时又保证飞行汽车在早晚高峰间无间断运行(最大化营收)的关键。鉴于此,王朝阳团队利用热调控技术,展示了两种高比能电池(215Wh/和271Wh/kg)在飞行汽车应用场景下的5-10分钟快速充电,并且拥有超过2000循环的使用寿命,为电动飞行汽车电池的研发设立了行业标杆。

电动飞行汽车商用的前提是安全高效。其中飞机重量、飞机里程数、电池体积和循环次数的寿命是其关键因素。飞行汽车电池约90%的充电场景为快充,远高于电动汽车电池(<10%)。此外,如此高频率的运行使飞行汽车电池在一年内可完成约1600次满充满放循环,相当于一辆续航400公里的电动汽车一年内行驶64万公里。因此,在快充能力与循环寿命两个方面,飞行汽车对电池都提出了更为严格的需求。

快速充电是电动飞行汽车实现商业化的关键

该研究详细分析了飞行汽车对电池能量和功率密度、快充、寿命和安全性的要求。相比于传统电动汽车电池,飞行汽车电池要求在更高的放电倍率下释放更大的比能量,并拥有更好的安全性。更为重要的是,飞行汽车主要是为了缓解城市的交通拥堵状况,其主要工作于早高峰(6:00-10:00)和晚高峰(16:00-20:00)。因此,在两次行程的短暂间隔内(约5-10分钟,用于交换乘客)给电池充入足够的能量,是保证飞行汽车在早晚高峰中连续运行从而实现营收最大化的关键。

热调控技术实现飞行汽车电池极速长寿命充电

鉴于飞行汽车对电池快充的迫切需求,王朝阳院士团队展示了一种热调控快速充电技术,其核心思想是“高温(60oC)充电,环境温度放电”:高温快充可避免电池析锂,缩短电池在高温工作的时间可避免电池材料的过快老化。该团队利用该技术开展了eVTOL场景下的快充循环实验,每个循环包括一次热调控快充和一次模拟80公里飞行距离的放电。实验显示,对于一款215Wh/kg的电池,热调控技术可在5分钟内充满80公里飞行距离所需的能量,且电池寿命可达到3800循环。对于另一款更高能量密度(271 Wh/kg)的电池,热调控可实现10分钟充电,且寿命达到2000循环。

上述成果是目前为止全球范围内所报道的关于电动飞行汽车电池快速充电的最好实验结果,为该领域设立了行业标杆。 

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