展望城市空中交通，电动飞行汽车对电池技术的需求和挑战

第一作者：杨晓光

通讯作者：王朝阳

单位：美国宾夕法尼亚州立大学电化学发动机研究中心

电池技术的发展正引起出行方式的重大变革。如果说电动汽车是将动力来源从化石燃料变为电能，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。相比传统飞行器，eVTOL兼具了直升飞机垂直起降的便捷以及固定翼飞机在巡航时的高效空气动力学性能，而电驱动系统则消除了传统直升机的噪音和污染问题，这些优势使得eVTOL成为实现城市空中交通(urban air mobility, UAM)的颠覆性技术。目前全球范围内有近百个项目团队正在进行eVTOL的研发工作，去年Joby Aviation、Lilium、亿航等多家龙头公司先后上市。据罗兰贝格预测，全球首个商用eVTOL航线将在2025年前开始运行，至2050年，UAM的市场规模有望达到900亿美元。

动力电池是飞行汽车的心脏。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。本文针对飞行汽车独特的运行模式，系统分析了飞行汽车电池在能量和功率密度、快充、寿命、安全性等方面性能指标上的主要要求。特别的，本文发现，电池的快速充电能力是同时实现飞行汽车低成本、高运营收入的关键，对飞行汽车真正实现商业化至关重要。有鉴于此，本文展示了一种热调控快速充电技术，利用实验证实了该技术可实现两种高比能电池在5-10分钟内充满80公里飞行距离所需的能量，且循环寿命超过2000次。作者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。

飞行汽车对电池性能的要求

本部分从能量和功率密度、快充能力、寿命和安全性等方面，对飞行汽车电池所需的性能指标进行系统的分析，并且和传统电动汽车电池进行了对比。

功率密度

eVTOL的飞行可以为5个阶段：螺旋桨垂直起飞，固定翼爬升，固定翼巡航，固定翼下降，和螺旋桨垂直降落，如图1A所示。出于安全考虑，飞行器还要保有足够的能量在特殊情况下完成备降。eVTOL电池的放电倍率要远高于电动汽车电池。从图1B可以看到，电池在起飞和降落阶段具有最大的输出功率。图1C给出了现今工业界采用的几种飞行器结构在起飞和降落过程所需要的峰值功率密度。可以看到，电池的峰值功率密度可以达到500-900 W/kg；若对于200Wh/kg的电池包而言(注意此能量密度为电池包能量密度)，相当于瞬时2.5C-4.5C的放电电流，且该高功率需要维持30-120秒。另一方面，电池巡航阶段的功率密度约150-350W/kg，相当于以0.75C-1.5C的倍率连续放电。作为参照，电动汽车的峰值放电倍率约为1-2C, 持续时间约为10秒；平均放电电流为0.1-0.3C。由此我们可以看到，飞行汽车对电池的功率密度要求远高于电动汽车。

能量密度

与电动汽车类似，飞行汽车的续航里程与电池比能量息息相关。如下Breguet里程公式所示，续航里程(Rtrip)正比于电池的比能量(SEtrip)和电池质量分数(wbat)。   

需要指出的是，飞行汽车电池并不是所有能量都可以用于飞行。如图1E所示：首先，由于降落阶段的大功率输出需求，电池最底部的10%SOC是不能使用的，因为在该区间电池开路电压会非线性下降。第二，飞行汽车电池必须保持一定的备用能量以应对突发状况。美国FAA规定备用能量必须能够维持额外30分钟的续航。随着未来飞行器停靠点增多，在城市中该规定有望放松。但是即便缩短至10分钟的额外续航能量，该部分所占的比例也可达到13.5%SOC(对某些飞行器结构该比例可达到24%)。第三，电池存在着快速充电的瓶颈，即在高SOC区间，由于截止电压的限制，充电时间会大幅延长。因此，高于90%SOC的区间被视为不可用。综上所述，以design-C为例，只有约66%的电池能量可供正常飞行使用，这对电池比能量提出了更苛刻的需求。

图 1. (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。

充电时间及循环寿命

发展飞行汽车的首要目的是缓解城市交通堵塞，故空中出行需求将主要集中于早高峰(6:00-10:00)和晚高峰(16:00-20:00)这8小时内，因此这个时间段的每一分钟都非常宝贵。通常在两个行程之间会有5-10分钟的间隙用于交换乘客，如果充电时间超过该间隙，则早晚高峰期间飞行汽车的运行次数将取决于充电时间，如图2A-B。相应的，高峰期内飞行汽车所能取得的营收取决于充电时间(图2C)。需要注意的是，飞行汽车电池的大部分充电场景都是快充(只有在早晚高峰以外的充电可以采用较慢充电速度)，这与电动汽车非常不同。虽然快充对电动汽车同样重要， 大多数电动汽车电池的充电都是在家或者工作单位的慢充。

图2. 快速充电对电动飞行汽车的重要性。

高使用率和高快充频率对电池寿命带来了严峻的挑战。如图2B，飞行汽车电池每年工作时间可达1600小时，对应的总放电能量达320 kWh/kg每年(图2D)。对于一个200Wh/kg的电池包而言，对应的等效全循环次数达1600次/年。作为参考，美国人平均每年驾驶13467英里，对应的电池年均工作时间为337小时，年均等效循环次数仅为45次。我们知道，很多电动汽车的电池质保期为8年或10万英里。以特斯拉Model-3为例，10万英里的总电池寿命对应的等效全循环数为385次。这样的电池寿命对应到电动飞行汽车场景，意味着电池每3个月就要更换一次。因此，电动飞行汽车对电池的寿命和成本提出了严峻的挑战。

电动飞行汽车电池 vs 电动汽车电池

图3对飞行汽车电池和传统电动汽车电池的性能指标要求进行了对比，可以看到，飞行汽车电池在各个方面都对电池提出了更高的要求。首先，飞行汽车电池的连续放电倍率约为1C左右，高于电动汽车电池(C/3，甚至C/10)。第二，飞行汽车在起飞和降落阶段需要很高的峰值功率，且该高功率输出要维持30-120秒，电动汽车的峰值功率一般仅维持10秒左右。第三，飞行汽车主要的营收来源于早晚高峰，因此电池的快速充电能力直接决定了飞行汽车这一商业模式的可行性。第四，飞行汽车高的运行频率，尤其是高的快充频率，使得电池每年的使用循环次数可达到约1600次，是电动汽车年运行循环数的35倍，这对电池寿命提出了苛刻的要求。最后，飞行汽车对电池安全的要求也要远高于电动汽车。除了电池要坚决避免着火或爆炸外，飞行汽车还要求电池在发生热失控后仍然能够继续工作，直至安全降落。

图3. 电动飞行汽车和电动汽车对电池要求的对比

热调控实现飞行汽车电池极速充电

从前述分析可知，电池的快速充电能力几乎决定了电动飞行汽车商业化应用的可能。对于电池快充，必须同时满足三个条件：1)充电时间足够短(小于交换乘客的时间，即5-10 min)；2)充入足够高的电池比能量(满足下一次飞行需求)；3）循环寿命足够长。上述三个条件缺一不可，但是现有的充电技术往往难以同时满足这三个条件。为了解决快充这一瓶颈，作者开发了非对称温度热调控(Asymmetric temperature modulation, ATM)策略，其核心思想包括两部分：1）快速加热至高温(60℃)充电，以避免电池析锂；2）电池仅在充电阶段处于高温，其他时间均处于环境温度，这样可以避免高温造成的材料衰减(尤其是SEI的增长)。

采用ATM技术，作者对两款动力电池进行了实验，一款能量密度为215Wh/kg，另一款271Wh/kg。基于这两款电池，按照80%的成组效率，分别设计了最高续航里程为150km的飞行汽车。215Wh/kg的电池由于能量密度有限，飞机的最高载重只有150kg。271Wh/kg的电池可以将载重提高至400kg，即可以承载4名乘客。

图4展示了215Wh/kg电池的循环实验结果。电池每个循环包括:1) 快速加热至60oC后CCCV（6C, 4.15V）充电5分钟；2）依照80km飞行距离设计的电池放电曲线。可以看到，加热至60oC后，充电电压明显降低(图4A)，说明高温降低了电池内阻，有助于避免析锂。图4C-D的结果显示，采用ATM充电方法，电池在2000个快充循环(870个等效全循环) 后仍然保持92.3%的容量，而对照组电池在150个循环后即已损失了20%的容量。

类似的，图5展示了271Wh/kg电池的循环实验数据。由于电池能量密度很高，为了避免析锂，充电倍率降低至3C，且充电时间延长至10分钟。其放电过程的功率曲线与之前215Wh/kg电池保持一致。可以看到，采用ATM充电方法，该高比能电池可以在10分钟内充入足以满足80km飞行距离的能量，且循环寿命达到2000次以上。

图4. 采用热调控充电策略实现215Wh/kg电池5分钟充电。(A-B)单个循环内的电池电压和温度；(C-D) 电池容量 vs 快充循环数和等效全循环数；(E-F) 电池循环过程中的SOC区间以及降落过程中的最低电压。

图5. 采用热调控充电策略实现271Wh/kg电池10分钟充电。(A)单个循环内的电池电压和温度；(B) 电池容量 vs 快充循环数；(C-D) 电池循环过程中的SOC区间以及降落过程中的最低电压。

未来展望

未来的飞行汽车电池需要追求更高的比能量，以提高其续航里程。对锂电池体系而言，增加比能量的常见方式是进一步提高电极材料的面涂布密度，但面涂布密度的增加会增大传质阻力，造成快充能力的显著下降。因此，开发可以实现高比能动力电池快速充电的技术至关重要。需要指出的是，飞行汽车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，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。

团队介绍：

杨晓光：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：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。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2542435121002051