王朝阳：通勤仅需15分钟！极速充电助力飞行汽车成为可能丨Cell Press对话科学家

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最近一篇发表在Cell Press能源旗舰期刊Joule《焦耳》上关于飞行汽车电池的文章在众多媒体上引起了广泛关注，在微博上吸引了2.7亿的阅读量。11月6日，这篇文章的作者——动力电池、储能与燃料电池技术科学家，美国国家发明家科学院院士，宾西法尼亚州立大学教授王朝阳在腾讯科学WE大会上表示，极速（10分钟）充电电池的应用和推广将引发电动汽车和许多应用场景的革命性变化，实验结果已经证实了极速充电电池用于飞行汽车的可行性和经济性。

在这篇题为“Challenges and key requirements of batteries for electric vertical takeoff and landing aircraft”的文章中，王朝阳团队从比能量和功率、快速充电、循环寿命和安全性等方面确定了电动垂直起降飞行汽车(eVTOL) 对原电池的要求，揭示了 eVTOL 电池在各个方面都比电动汽车（EV）电池具有更严格的要求。

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在世界上大多数都市地区，上下班高峰时段的交通拥堵时不可避免的。据统计数据显示，美国人在2019年平均每人因为堵车损失了99小时的交通时间，相当于损失了880亿美元的生产力。随着城市化进程的的加快和新特大城市的出现，全球交通拥堵的问题将日益严重。电动垂直起降飞行器(eVTOL，即飞行汽车)则是将城市交通从平面变为立体，有望彻底解决城市化带来的交通拥堵问题。过去十年来，随着电动汽车(EV)的发展，动力锂离子电池技术有了显著的进步。飞行汽车和电动汽车相比具有独特的运行要求，对电池提出了完全不同的需求，然而关于飞行汽车电池的研究仍然十分有限。

▲eVTOL与EV电池要求对比示意图

本文深入对比了eVTOL电池与电动汽车(EV)电池的性能需求，发现eVTOL 电池在各个方面都比EV电池具有更严格的要求。首先，eVTOL的需求集中在早晚高峰有限的时间段内，一般在两段行程之间会有5-10分钟的间隔用于乘客换乘。因此，在换乘期间快速充入足够的能量以确保其在高峰时段持续运行对于eVTOL商业模式的可行性至关重要。同时，如此高的车辆利用率对电池循环寿命提出了严峻挑战。此外，eVTOL对安全性更高要求，即使在发生电池安全事故后也必须保证电池可继续工作直至安全着陆。文章还指出快速充电对于以低成本缩小飞机和电池的尺寸，同时实现高车辆利用率以最大化收入至关重要，并通过实验证明了两种能量密集型锂离子电池设计，它们可以在 5-10 分钟内为 80 公里 eVTOL 行程充电足够的能量并维持 2,000 多个快速充电循环，为 eVTOL 电池奠定了基础。

▲ (A-B) 飞行汽车行程示意图及对应的电池功率曲线. (C) 现今工业界采用的几种飞行器设计对应的电池在起飞降落阶段和巡航阶段所需要的电池包功率密度。(D) 三种代表性飞行汽车设计(A,B,C对应图1C标注)续航里程及其所需要的电池比能量。(E)电池包能量密度的拆分：只有一部分电池能量可供正常飞行使用。

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

城市空中交通 (UAM) 是一个生态系统，通过飞行车辆为按需客运和货运开辟了空域，有可能扰动城市交通系统。据预测，即使是将一小部分交通改道到空中出租车上，也可以大大减少交通车辆的燃料使用，这表明飞行汽车有可能解决交通拥堵并减少个人旅行的碳足迹。电动垂直起降（eVTOL）汽车结合了直升机就地起降的便利性、飞机的高效气动飞行以及电动动力系统的低噪音和低环境影响，已成为UAM最有希望的候选者。

需要指出的是，eVTOL对电池的快充能力和循环寿命具有极高的要求（年均放电总能量密度可达320 kWh/kg），因此任何关于电池比能量的提升都不能以牺牲电池快充能力和寿命为代价。比如，文中提到的锂金属负极或硅碳负极搭配髙镍三元正极是非常有潜力的提高能量密度的手段，但是快充会造成硅材料的膨胀碎裂，或锂金属负极锂枝晶的增长，显著缩短电池寿命。因此，提高快充能力和循环寿命是这些新体系电池能够真正在电动飞行汽车中应用的前提。最后，作者也希望这些结果可以给飞行汽车电池快充奠定一个基准，刺激该领域研究的快速发展。

作者专访

Cell Press特别邀请了本篇Joule文章的第一作者，来自北京理工大学电动车辆国家工程实验室的杨晓光教授进行了一次专访，请他与我们聊聊这个 “天马行空”的想法背后的故事。

CellPress：

电动垂直起降飞行器（eVTOL），已成为改变未来城市交通系统的最具颠覆性的技术。但是，它独特的操作特性和起降要求给电池带来巨大挑战，请您为我们分析一下与电动汽车相比，eVTOL电池都需要哪些重要性能指标。

杨晓光教授：

我认为有以下几点：

• 首先eVTOL对电池能量密度具有更高的要求。eVTOL的续航里程正比于电池能量密度，并且和电动汽车不同的是，eVTOL电池必须保留一部分备用能量以应对突发状况，因此实际只有60%-70%的电池能量可以用于飞行。

• 第二是快速充电，未来飞行汽车的营收将集中在早晚高峰期间，只有通过快速充电才能实现在高峰时段的高频率运行。

• 第三是循环寿命。根据我们估算，飞行汽车电池每年要经历1600个全循环。换算成电动汽车电池的场景，假设每个循环能使电动汽车行驶300km，1600个循环就是48万公里，也就是说飞行汽车电池使用一年相当于电动车跑48万公里。现在的电动汽车电池质保期一般是10万公里，也就是说用电动汽车电池的质保期的话，飞行汽车电池需要每2-3个月就更换一次。

• 第四是安全性。安全对汽车很重要，对飞机来说更加重要。除了避免电池热失控发生失火冒烟外，飞行汽车还要求在电池发生安全事故的时候仍然能够继续工作直至汽车安全着陆。

CellPress：

请您为我们介绍一下为何快速充电是eVTOL至关重要的性能？

杨晓光教授：

如前所讲，飞行汽车的营收主要集中在早晚高峰，必须保证在这有限的时间段内高频率连续运行以实现最大的营收。要实现高频率运行有两种方法，一种是让飞机携带一个巨大的电池包，一次充电能飞行好几次，但这种情况下飞机的质量也要相应上升，导致飞机和电池的成本都非常昂贵；另一种方法是采用小飞机加小电池包，在乘客换乘的间隙实现快速补能。因此，快速充电是飞行汽车同时实现高营收和低成本的关键。

CellPress：

快速充电所带来的对电池循环寿命的影响又有哪些？

杨晓光教授：

快充最大的影响是容易导致电池析锂，会严重缩短电池寿命，并会造成安全隐患。同时，飞行汽车绝大多数充电场景都是快充（只有在早晚高峰以外可以慢充），而传统的电动汽车只有<10%的充电是慢充。如此高的快充频率对飞行汽车电池的寿命带来了严峻挑战。

CellPress：

请您为我们讲解一下文中提到的两种能量密集型锂电池设计理念。

杨晓光教授：

文中我们采用两种能量密度的电池设计了最高续航里程达到150km的飞行汽车，一款是215Wh/kg的，一款是271Wh/kg。前者能量密度低，所以飞机的最高载重只有150kg，后者可以将载重提高至400kg，即可以承载4名乘客。能量密度越高，析锂的风险越大，快充能力越弱。我们通过热调控快速充电的方法，即使这款271Wh/kg的电池我们也可以通过10分钟充电提供80km的飞行距离，并且循环寿命超过2000次。同时需要强调的是，未来的高比能电池，无论什么体系，都只有实现快速充电和长寿命才能真正在电动飞行汽车中得以应用。

论文作者团队介绍

杨晓光 

教授

现任北京理工大学教授、博士生导师，国家海外高层次青年人才。2014年博士毕业于上海交通大学工程热物理专业，师从郑平院士。同年加入美国宾州州立大学王朝阳院士团队开展博士后研究，2018年起担任助理研究教授。2021年4月入职北京理工大学机械与车辆学院、电动车辆国家工程实验室。研究方向侧重于利用结构和工作策略创新以及电化学-热-机械耦合仿真提高动力和储能电池的快速充电能力、寿命、低温性能等。以第一作者在Nature Energy, Joule, PNAS等国际顶级期刊发表多篇研究论文，研究成果被Science、Nature杂志以及全球多家主流媒体（USA Today，英国卫报、独立报、每日邮报，法国法新社、费加罗报，德国图片报、世界报，西班牙先锋报、阿贝塞报，中国环球时报、参考消息等）多次报道。

王朝阳

院士

美国国家发明家科学院院士，美国宾州州立大学机械工程William E. Diefenderfer讲席教授，化学工程、材料科学与工程杰出教授，宾州州立大学电化学发动机中心（ECEC）和电池与储能技术中心（BEST Center）主任及创始人，美国机械工程师学会（ASME）会士，电化学学会（ECS）电池分会执行委员，联合国发展计划署高级技术顾问。王教授在锂离子电池和燃料电池技术方面拥有超过25年的研究经验，在Nature，Nature Energy, Joule, PNAS, Sci. Adv., Energy Environmental Sci, JACS等期刊发表论文220多篇，总计被引量超过35,000次，H指数为103，是汤森路透评选的工程学高被引科学家之一。他发表在Nature上的关于全气候电池（ACB）的研究被2022年北京冬奥运会采用，成为驱动奥运电动汽车的核心技术之一。

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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▌论文标题：

Challenges and key requirementsof batteries for electricvertical takeoff and landing aircraft

▌论文网址：

https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(21)00205-1

▌DOI：

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

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