第一作者：Venkatasubramanian Viswanathan
通讯作者：Venkatasubramanian Viswanathan，Alan H. Epstein
通讯单位：卡内基梅隆大学，麻省理工学院
众所周知，由电池驱动飞行的梦想已有一百多年的历史了。1884年，52米长的飞艇La France在巴黎附近起飞，搭载435公斤的锌氯电池为整个过程提供了动力。La France成为历史上第一款完成受控、动力往返飞行的飞行器，其飞行距离约为8公里。在当时，电力还处于起步阶段，在之后的130多年里，大量时间和金钱被花费在电力系统上。同时，飞机及其航空运输系统受到技术要求、经济和环境问题之间复杂的影响，且所有这些都建立在安全的基础上。
【成果简介】
鉴于此，美国卡内基梅隆大学Venkatasubramanian Viswanathan和麻省理工学院Alan H. Epstein（共同通讯作者）详细探讨了为飞机供电的电池要求，以及有望实现这些要求的电池系统，从而突出了航空飞行和日常需求电池之间的差异。其中，安全性、可用的比能量而非成本是航空业的主要制约因素。基于之前的研究得出结论，如果有足够的针对航空应用的投资，在未来二十年内有望研发出具有600 Wh kg-1适合飞机飞行的电池组。相关研究成果“The challenges and opportunities of battery-powered flight”为题发表在Nature 上。
【核心内容】
1.飞机和电动飞行
对电池供电飞行的兴趣源于先进电池的发展，比如飞机经济性提高，新的飞机效用（飞行出租车），或者通过减少碳排放来减少航空对气候变化的影响。飞机的能源和动力需求跨越七个数量级，从飞行几分钟的几公斤无人机到飞半个地球的客机（图1a）。一架小型无人机可以依靠几个手电筒电池的能量飞行，而一架大型客机则以30000辆特斯拉汽车的能量起飞。出于经济考虑，这种存储的能量转换随着飞机尺寸的增加而增加（图 1b）。由于效率、重量和体积的差异，为相同任务（有效载荷、航程和速度）配置的电动飞机和燃料飞机所需的能量可能存在很大差异。首先，存储能量转换为轴功率的效率可能不同，燃油飞机为20-55%，而电动飞机为80-90%。其次，燃油飞机的重量在飞行过程中会减少5-40%，消耗的能量与重量成正比。此外，除了考虑飞行能量，飞机还必须携带应急储备，以应对天气、拥堵和商业考虑。储备百分比随着任务长度的增加而降低，从2000公里处机载总能量的50%下降到11000公里处的10-12%。
图1. （a）生产车辆的最大功率和能量；（b）具有代表性飞机的净能量密度。不同燃料飞机之间的差异反映了发动机效率随着尺寸的增大而增加。
与液态燃料相比，电动飞机面临的主要挑战是电池的能量密度低（图2），而且对于较大的飞机，与燃气机相比，电力驱动的重量要高得多。客机所需的能量转换设备（电子设备、电机、电缆、冷却装置）现在比燃料系统重得多，但预计功率/重量比将在接下来的20年里提高2到4倍。为了减少能源需求，已经研究了许多技术和非传统飞机设计。
图2. 航空中可用能量密度的历史。
2.飞机经济考虑
经济将对电动飞机的生存能力产生至关重要的影响。其中，大多数航班都受到体积限制而不是重量限制。如果电池不能像当前客机上的燃料那样携带在机翼内，则必须增加飞机的尺寸以保持有效载荷体积。同时，飞机直接成本包括所有权、燃料、维护和机组人员。因此，如果电池的重量相同且性能相同，则其购买价格将大致相同。电池和燃料飞行的主要成本因素是定期更换电池或发动机大修。在这两种情况下，使用寿命都与飞行周期数和飞行的具体情况（飞机重量、飞行长度、环境温度等）有关。为了使电池更换与发动机大修相比具有成本竞争力，电池的成本不应超过每千瓦时8-13美元。此外，电池供电能够减少对环境的污染，通过使用混合动力推进燃料发动机与电力驱动器相结合，这可能在未来二十年内具有最大的减少碳排放的潜力。
3.电池设计要求
主要的电池指标包括体积和重量能量和功率密度、成本、寿命和安全性。这些属性反映了电池单元的设计以及围绕它们的封装和控件。考虑到封装、寿命和安全性，电池能量密度降低，剩余的能量是可用于飞行的能量。当前的大部分电池研究和开发都集中在地面交通、便携式电子设备和电网存储的需求上。在对电池技术很重要的某些领域，航空需求有所不同。由于所需的飞行能量储备相对较大，航空电池很少会放电到低水平。因此，不仅在具有更高能量密度和比能量的电池化学中具有价值，而且在降低包装、寿命和安全开销方面也具有价值。更加重要的是，航空电池的运行环境通常也比车辆更极端，具体条件因飞机类型和任务而异。
图4. 在电池水平上实际实现的比能量。
4.潜在的电化学解决方案
可充电金属负极，尤其是锂金属，是实现高电池电压和存储容量的关键因素。在过去十年中，在提高锂金属负极的库仑效率和循环寿命方面取得了明显进步，同时避免了与枝晶相关的灾难性内部短路，这些进步正在引领可充电锂金属技术走向成熟和商业化，在未来十年内将有可能实现同时提供电动飞机所需的所有性能指标。此外，将不易燃固态无机电解质与锂金属负极配对使用，有望为安全性的电池架构开辟新的可能性。此外，使用表1中列出的是可与锂和非锂金属负极配对的正极选择（包括插入和转换）及其性能特征，包括热力学电压、转移的电子数、理论容量和理论比能。表1表明，最高能量密度与所谓的转化反应正极有关，尽管转化反应通常在机械上很复杂，并且需要从原子水平向上控制多个长度尺度的结构，以便获得理论上可用的存储容量，但这些化学反应有可能将材料水平的能量密度比当前基于嵌入的锂离子电池提高3到5倍。
表1. 各种化学成分的理论指标
【文献信息】
Venkatasubramanian Viswanathan✉, Alan H. Epstein✉, Yet-Ming Chiang, Esther Takeuchi, Marty Bradley, John Langford，Michael Winter，The challenges and opportunities of battery-powered flight, 2022.
https://doi.org/10.1038/s41586-021-04139-1
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