电动空中汽车，纯电交通的新机遇？ | Cell Press青促会述评

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物质科学

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作为世界领先的全科学领域学术出版社，细胞出版社特与“中国科学院青年创新促进会”合作开设“青促会述评”专栏，以期增进学术互动，促进国际交流。

2021年第十八期（总第55期）专栏文章，由来自中国科学院山西煤炭化学研究所副研究员 中国科学院青年创新促进会会员 王聪伟，就 Joule中的论文发表述评。

上下班高峰期交通拥堵是所有城市都无法逃避的“都市病”。数据显示，2019年平均每个美国人拥堵时长达到99小时，折合经济损失880亿美元。随着世界各地城市化率提升与新兴都市区崛起，交通拥堵将会进一步加剧能源消耗和人居环境恶化，带来巨大的经济损失。都市型航空交通系统（UAM），利用新型飞行载具，通过开放空域为乘客和货物提供定制化运输服务，有望给城市运输模式带来颠覆性变革。一些预测结果表明，即使将一小部分交通改为空中进行，也可大大降低车辆的燃料使用和个人的碳排放。

电动垂直起降飞机 (eVTOL)，又称为“空中汽车”， 结合了直升机原地起降的便利性，固定翼飞机高效的空气动力学飞行能力以及电驱动力系统低噪音和环境友好性，成为UAM最有前途的候选载具。过去十几年间突飞猛进的锂离子电池技术，不仅引领了电动汽车 (EV) 领域爆发式增长，也使其成为eVTOL动力源的不二之选。由于eVTOL独特的运行模式与能量需求，其对电池性能要求相较动力汽车亦存在显著差异。但目前对eVTOL用锂离子电池的研究仍处于起步阶段，实验性工作更鲜有报道。

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在本期Joule中，美国宾夕法尼亚州立大学Chao-Yang Wang团队对电动垂直起降飞机用锂离子电池基本性能要求和面临的巨大挑战，发表题为“Challenges and key requirements of batteries for electric vertical takeoff and landing aircraft”前瞻观点文章。通过对eVTOL特殊飞行模式与动力电池性能要求的分析，提出锂离子电池现阶段在比功率、比能量、快速充电技术、循环寿命和安全性等方面所面临的巨大挑战。作者指出安全稳定的快速充电技术是eVTOL商业化所需低成本、高使用率的关键因素，而现阶段制约快充技术发展的主要原因是析锂副反应带来的严重安全隐患。基于此，作者报道了利用非对称温度调制技术 (ATM) 高能量密度锂离子电池，实现了在5-10 min时间宽温域无析锂快速充电用于eVTOL 80 km里程的高性能电池设计，并保持超过2000快速充电循环，为eVTOL实用化电池设计奠定了基础。

▲图1  eVTOL运行示意图与电池功率/能量对比图

图1所示为典型eVTOL飞行模式及其功率分布曲线，可分为起飞，爬升，巡航，下降和降落五个阶段。其中起飞/降落阶段需要最大输出功率（放电倍率：放电倍率与放电电流&输出功率成正比）为500–900 W/kg（2.5–4.5C），巡航阶段为150–350 W/kg（0.75–1.5C）；而一般电动汽车，例如Tesla Model-3放电倍率在高速环境下只有0.3 C，城市环境只需0.1 C。所以eVTOL无论是起降还是巡航过程对比功率的高要求都使其动力电池的研发充满挑战。此外，电池还面临功率-能量这一矛盾体，起降阶段大幅增加的放电功率必然导致巡航期可持续输出能量的减少，而电池能量是决定eVTOL运营里程的关键参数。根据eVTOL飞行模式及美国航空管理局安全要求，电池能量除用于基本飞行外，还有以下几个方面的要求：（1）高于10% 荷电状态（SOC）安全线；（2）预留10-min巡航备用能量（占电池整体能量15-25 %）作为紧急复飞与降落使用；（3）快速充电“天花板”90% SOC（快速充电至90%后，电流急剧下降，需较长时间充满，无法适应eVTOL高周转运营需求）。因此，真正可用于eVTOL飞行的能量只占电池整体能量55-65%，且随电池高频使用与容量衰减，将极大限制eVTOL单次飞行里程。

▲图2 eVTOL与EV电池要求对比示意图

对比EV电池，图2逐项总结了eVTOL对电池更严格的性能要求：更高的放电倍率（1C vs 0.3 C），更持久的高功率输出时间（60s vs 10 s），更多的年均等效完整充放电循环EFCs（1600 vs 50），更高的快充使用频率（90% vs 20%）以及更苛刻的安全等级要求。此外，eVTOL主要集中在早晚高峰期运营，且由于成本压力要求尽可能高的乘客周转率，缩短乘客换乘时间（5-10min），这就要求电池在相同的有限换乘时间内完成下一次行程的能量储备，即eVTOL电池必须具备长寿命、安全可靠的快速充电技术。如此，利用快速充电技术，不仅可有效减小电池体积和单位成本，更可以在降低eVTOL重量条件下保持有效载荷，提高载具利用率和盈利能力。

事实上，现有的快速充电技术很难同时满足eVTOL短时间、高能量与安全长寿命的快充需求。例如闪充技术 (flash-charging) 受限于较低的SOC，而高功率电极技术 (high-power electrodes) 则无法为eVTOL提供足够里程的能量。所以，eVTOL电池所面临的核心挑战是如何短时间赋予电池足够多能量的同时克服快充过程中的关键副反应：析锂 (Li plating)。析锂起源于锂离子在低温或大电流作用下受限的下列物理化学过程：（1）电解液中离子传输；（2）石墨/电解液界面插层反应；（3）离子在石墨电极固体扩散过程。对高能量密度锂电池而言，离子在电解液中传输特性是决定其快充安全性的关键。

▲图3 215-Wh/kg容量电池快速充电5-min 驱动eVTOL 80-km测试曲线

使用非对称温度调制技术 (ATM)，通过电池自加热结构设计，电芯经60ºC预热后可在短时间 (5-10min) 完成快速充电过程，大大缩短电池在高温下暴露时间，减少电池材料劣化的同时，可极大提高上述三个物理化学过程速率，实现宽温域条件下无析锂快速充电。图3展示使用ATM技术电池 (215 Wh/kg)与同容量参照组电池按eVTOL运行条件性能测试曲线。ATM电池在快充阶段 (6C， 4.15V) 电压低于参照组电池，证实其高温下具备更小内阻与更优异离子传输速率。同时，由于电池只在快充阶段保持高温，可有效避免快充析锂副反应；ATM电池表现优异的长循环寿命与稳定性，在2000循环后 (870 EFCs)，仍保持92.3 %容量。参照组电池由于快充产生的严重析锂与锂枝晶生长，在150循环后容量便下降到80%以下，几近失效 (EOL)。考虑起降阶段高功率要求，ATM电池单循环消耗SOC在2000循环前后分别为39.4% (44.4%–83.7%)和41%(33.3%–74.3%)；同样循环后，ATM电池在降落与复飞测试电压分别大于3.25 V 与3.15 V，显示极佳的稳定性与安全性。该电池可满足150 kg有效载荷150 km飞行里程的eVTOL设计。相同设计条件下，进一步使用高能量三元正极材料 (NMC811)，上述ATM电池可在相同里程下提升有效载荷至400 kg。

简而言之，为满足电动垂直起降飞机独特飞行运营模式，及其低成本、高周转率使用要求，作者分别从高倍率放电，短时间、高能量快速充电，长寿命循环安全性等方面前瞻了eVTOL动力电池面临的巨大挑战。作者强调快速充电技术，可同时满足充电时间短 （<乘客换乘时间），充电能量高（满足下一阶段行程）和周期寿命长三个基本条件，是减小飞机体积，降低单位成本，提高使用率和收益最大化的关键。为解决快速充电过程产生的析锂问题，作者提出非对称温度调制技术，通过自加热电池结构设计，使电池仅在快充阶段保持较高温度（60ºC），极大增强关键理化过程速率的同时避免高温对电池的伤害，实现宽温域条件下无析锂快速充电。通过进一步改进电极材料稳定性，结合ATM技术，有望加速高性能、长寿命、高安全与全天候eVTOL电池的实用化研发。

该前瞻从eVTOL运营模式出发，综合分析其动力电池的特殊性能要求和现阶段面临的挑战。鉴于锂离子动力电池系统复杂性（trade-off nature），优化某项性能的同时往往需要牺牲另一方面性能，如何平衡各关键性能，还需大量系统化优化研究。此外，飞行载具对纯电系统安全性要求，要远高于电动汽车。例如，波音787梦想客机由于飞机辅助动力装置(APU)锂电池存在的潜在风险，被全球停飞数月之久。因此，eVTOL电池在设计与优化过程中，应始终将系统安全作为“非妥协”项。本前瞻报道的ATM技术，借助电池自热结构调制电芯温度，改善关键物理化学过程动力学速率，克服快充析锂副反应，在不牺牲电池安全性前提下提高充电倍率与稳定性，为eVTOL电池设计提供了重要解决方案。最后，一般飞行载具寿命（>20年）要远高于电池组单元（2-3年），如何合理设计eVTOL电驱动力结构，使其可以跟随电池技术不断发展，具备可持续升级性，也是eVTOL动力系统设计所必须考虑的。

论文摘要

电动垂直起降飞机(eVTOL)，作为一种可改变未来运输系统的颠覆性技术而受到广泛关注。它们独特的运行模式对电池性能要求提出了巨大挑战。本研究从比能量、比功率、快速充电、循环寿命和安全性等方面讨论了eVTOL对电池性能的基本要求，揭示eVTOL相较电动汽车对电池在各方面具有更严格的要求。值得注意的是，快速充电技术对于缩小飞机和电池尺寸、降低成本、提高载具利用率、实现收入最大化至关重要。我们从实验上展示了两种高能量密度锂离子电池设计，可在5-10分钟内快速充电足够能量用于80公里eVTOL行程，并保持超过2000快速充电循环，为eVTOL电池设计奠定基础。

Electric vertical takeoff and landing (eVTOL) aircraft have attracted considerable interest as a disruptive technology to transform future transportation systems. Their unique operating profiles and requirements present grand challenges to batteries. This work identifies the primary battery requirements for eVTOL in terms of specific energy and power, fast charging, cycle life, and safety, revealing that eVTOL batteries have more stringent requirements than electric vehicle batteries in all aspects. Notably, we find that fast charging is essential for downsizing aircraft and batteries for low cost while achieving high vehicle utilization rates to maximize revenues. We experimentally demonstrate two energy-dense Li-ion battery designs that can recharge adequate energy for 80 km eVTOL trips in 5–10 min and sustain over 2,000 fast-charge cycles, laying a foundation for eVTOL batteries.

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中文内容仅供参考，请以英文原文为准

评述人简介

王聪伟

中国科学院山西煤炭化学研究所副研究员

中国科学院青促会会员

[e-mail]

王聪伟，中国科学院山西煤炭化学研究所，炭材料重点实验室副研究员。主要从事低维碳材料电化学规模制备及其电催化应用研究，在Chem. Mater., J Mater. Chem. A, Chem. Comm.发表相关研究论文20余篇，授权发明专利5项。2020年入选中国科学院青年创新促进会。

Dr Congwei Wang is a research associate professor in CAS Key Laboratory of Carbon Materials, ICC-CAS. His research focuses on the large-scale electrochemical preparation of low-dimensional carbon materials and their applications in electrocatalysis. The main findings have been published on Chem. Mater., J Mater. Chem. A, Chem. Comm., etc., and five patents have been granted. In 2020, He was selected as a member of Youth Innovation Promotion Association of CAS.

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相关论文信息

原文刊载于CellPress细胞出版社

旗下期刊Joule上，

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中国科学院青年创新促进会（Youth Innovation Promotion Association，Chinese Academy of Sciences）于2011年6月成立，是中科院对青年科技人才进行综合培养的创新举措，旨在通过有效组织和支持，团结、凝聚全院的青年科技工作者，拓宽学术视野，促进相互交流和学科交叉，提升科研活动组织能力，培养造就新一代学术技术带头人。

Youth Innovation Promotion Association (YIPA) was founded in 2011 by the Chinese Academy of Science (CAS). It aims to provide support for excellent young scientists by promoting their academic vision and interdisciplinary research. YIPA has currently more than 4000 members from 109 institutions and across multiple disciplines, including Life Sciences, Earth Science, Chemistry& Material, Mathematics & Physics, and Engineering. They are organized in 6 discipline branches and 13 local branches.

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