電動飛行汽車需要新一代電池技術。圖片來源：Eric Rountree, EC Power

■本報記者 唐鳳

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

美國研究人員正在探索電動飛行汽車的需求，並設計和測試了新型電池。研究人員利用熱調控技術，實現了兩(liang) 種高比能電池在飛行汽車應用場景下的快速充電和高使用壽命。6月7日，相關(guan) 論文刊登於(yu) 《焦耳》。

“我認為(wei) 飛行汽車有潛力節省大量時間，為(wei) 交通運輸開辟天空走廊。”賓夕法尼亞(ya) 州立大學電化學發動機中心主任王朝陽說，“但電動飛行汽車對電池的要求很高，非常具有挑戰性。”

飛起來 疏擁堵

對於(yu) 人類而言，飛上雲(yun) 霄甚至遨遊太空已觸手可及。但是，想飛就飛的便捷飛行方式仍是很多人的夢想。

“飛行汽車可以用來解決(jue) 大都市的交通擁堵問題，例如用於(yu) 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(wei) 100英裏每小時，長途旅行的平均速度為(wei) 200英裏每小時。”王朝陽告訴《中國科學報》，“目前全球範圍內(nei) 有近百個(ge) 公司在進行相關(guan) 機器的開發和商業(ye) 化工作。”

不過，動力電池作為(wei) 電動飛行汽車的心髒，仍然是製約其商業(ye) 轉化的最主要瓶頸，相關(guan) 研究十分有限。

實際上，飛行汽車電池的難點在於(yu) 需要同時滿足高能量密度、高功率密度、5~10分鍾內(nei) 快充能力、極長循環壽命，以及高安全性的需求。目前市場上的動力電池可以實現部分性能要求，但無法同時滿足所有需求。

例如，“飛行汽車的電池需要有非常高的能量密度，這樣它才能在空中停留。它在起飛和降落時也需要非常大的動力。”王朝陽說，電池重量也是一個(ge) 重要因素，因為(wei) 車輛將攜帶電池提升和降落。

電池要給力

針對這些問題，王朝陽團隊與(yu) EC Power公司合作者，在論文中詳細探討了電動飛行汽車對動力電池各類性能參數的需求。研究發現，飛行汽車相對於(yu) 傳(chuan) 統電動汽車幾乎在各個(ge) 方麵都對電池提出了更高的要求。

該研究詳細分析了飛行汽車對電池能量和功率密度、快充、壽命和安全性的要求。相比於(yu) 傳(chuan) 統電動汽車電池，飛行汽車電池要求在更高的放電倍率下釋放更大的比能量，並擁有更好的安全性。

但在正常情況下，電池具有高能量密度就會(hui) 降低充電速度，而快速充電通常會(hui) 縮短充電周期。

“飛行汽車電池約90%的充電場景為(wei) 快充，遠高於(yu) 電動汽車電池（<10%）。此外，高頻率運行使飛行汽車電池在1年內(nei) 要完成約1600次滿充滿放循環，相當於(yu) 一輛續航400公裏的電動汽車1年內(nei) 行駛64萬(wan) 公裏。因此，在快充能力與(yu) 循環壽命兩(liang) 個(ge) 方麵，飛行汽車對電池都提出了更嚴(yan) 格的要求。”王朝陽說。

此外，電動飛行汽車的一個(ge) 獨特之處在於(yu) ，它的電池必須一直保持一定電量。例如，飛行汽車電池不能在空中完全放電，因為(wei) 在空中停留和著陸都需要能量。因此這類電池需要有一個(ge) 安全邊際。

“為(wei) 了安全，電動飛行汽車在降落後必須仍然保有25%~40%的電量。所以其快充必須在高剩餘(yu) 電量的基礎上實現，難度要比零電量的手機電池快充大很多。這個(ge) 難題通過此項研究中的熱調控機理得以解決(jue) 。”王朝陽說。

給電池加點熱

鑒於(yu) 飛行汽車對電池快充的迫切需求，王朝陽團隊展示了一種熱調控快速充電技術，其核心是“高溫充電，環境溫度放電”。

“我們(men) 發明的新型電池基於(yu) 熱調控原理。在電芯裏埋有一片10微米的鎳箔作為(wei) 發熱體(ti) ，然後利用電池自身的能量極速加熱電芯，進而通過調節溫度以實現電池無損傷(shang) 快充和大功率輸出。”

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，同時縮短電池的高溫工作時間以避免電池材料的過快老化。而且，加熱電池可以快速釋放電池中的能量，以保證汽車的起飛和降落。

“電池如果是空的，充電內(nei) 阻較低，但剩餘(yu) 電量越高，就越難將更多的能量充入電池。充電速度通常會(hui) 隨著電池充滿而變慢。然而，通過加熱電池，充電時間可以保持在5到10分鍾。”王朝陽說。

研究人員利用該技術開展了電動飛行汽車場景下的快充循環實驗，每個(ge) 循環包括一次熱調控快充和一次模擬80公裏飛行距離的放電。實驗顯示，對於(yu) 一款215Wh/kg的電池，熱調控技術可在5分鍾內(nei) 充滿80公裏飛行所需的電量，且電池壽命可達到3800次循環。對於(yu) 另一款更高能量密度（271 Wh/kg）的電池，熱調控可實現10分鍾充電，且壽命達到2000次循環。

針對目前屢有發生的電池爆燃問題，王朝陽表示，熱調控電池比普通電池更安全，因為(wei) 它在低溫環境中的功率性能是通過熱刺激實現的，而傳(chuan) 統電池必須靠提高電池材料的高活性，即以犧牲安全為(wei) 代價(jia) 才能獲得。

“該熱調控電池有望短時間內(nei) 商業(ye) 應用到eVTOL。目前我們(men) 在研發第二代產(chan) 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0.35元人民幣。”王朝陽說，“我希望這篇論文能讓人們(men) 相信，我們(men) 不需要再花費20年才能得到這些飛行汽車。”

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

相關(guan) 論文信息：

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