在科幻電影中，未來人類駕駛著可以飛行的汽車在高樓林立的城市中穿梭。隨著垂直起降飛行器（eVTOL）技術(shù)的成熟，這一場景正逐步走向現(xiàn)實。然而，動力電池作為電動飛行汽車的心臟，成為制約其商業(yè)化運行的最主要瓶頸，其相關(guān)的研究卻十分有限。

 

       6月7日，美國賓州州立大學(xué)王朝陽院士團隊在能源領(lǐng)域頂級期刊《焦耳》(Joule)發(fā)文，詳細(xì)探討了電動飛行汽車這一獨特的運行場景對動力電池各類性能參數(shù)的需求。研究發(fā)現(xiàn)，飛行汽車相對于傳統(tǒng)電動汽車幾乎在各個方面都對電池提出了更高的要求。而電池的快速充電能力是縮小飛行器和電池包尺寸（降低成本）同時又保證飛行汽車在早晚高峰間無間斷運行（最大化營收）的關(guān)鍵。鑒于此，王朝陽團隊利用熱調(diào)控技術(shù)，展示了兩種高比能電池(215Wh/和271Wh/kg)在飛行汽車應(yīng)用場景下的5-10分鐘快速充電，并且擁有超過2000循環(huán)的使用壽命，為電動飛行汽車電池的研發(fā)設(shè)立了行業(yè)標(biāo)桿。

 

       電動飛行汽車商用的前提是安全高效。其中飛機重量、飛機里程數(shù)、電池體積和循環(huán)次數(shù)的壽命是其關(guān)鍵因素。飛行汽車電池約90%的充電場景為快充，遠(yuǎn)高于電動汽車電池(<10%)。此外，如此高頻率的運行使飛行汽車電池在一年內(nèi)可完成約1600次滿充滿放循環(huán)，相當(dāng)于一輛續(xù)航400公里的電動汽車一年內(nèi)行駛64萬公里。因此，在快充能力與循環(huán)壽命兩個方面，飛行汽車對電池都提出了更為嚴(yán)格的需求。

 

       快速充電是電動飛行汽車實現(xiàn)商業(yè)化的關(guān)鍵

 

       該研究詳細(xì)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。相比于傳統(tǒng)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，并擁有更好的安全性。更為重要的是，飛行汽車主要是為了緩解城市的交通擁堵狀況，其主要工作于早高峰(6:00-10:00)和晚高峰(16:00-20:00)。因此，在兩次行程的短暫間隔內(nèi)(約5-10分鐘，用于交換乘客)給電池充入足夠的能量，是保證飛行汽車在早晚高峰中連續(xù)運行從而實現(xiàn)營收最大化的關(guān)鍵。

       熱調(diào)控技術(shù)實現(xiàn)飛行汽車電池極速長壽命充電

 

       鑒于飛行汽車對電池快充的迫切需求，王朝陽院士團隊展示了一種熱調(diào)控快速充電技術(shù)，其核心思想是“高溫(60oC)充電，環(huán)境溫度放電”：高溫快充可避免電池析鋰，縮短電池在高溫工作的時間可避免電池材料的過快老化。該團隊利用該技術(shù)開展了eVTOL場景下的快充循環(huán)實驗，每個循環(huán)包括一次熱調(diào)控快充和一次模擬80公里飛行距離的放電。實驗顯示，對于一款215Wh/kg的電池，熱調(diào)控技術(shù)可在5分鐘內(nèi)充滿80公里飛行距離所需的能量，且電池壽命可達(dá)到3800循環(huán)。對于另一款更高能量密度（271 Wh/kg）的電池，熱調(diào)控可實現(xiàn)10分鐘充電，且壽命達(dá)到2000循環(huán)。

 

       上述成果是目前為止全球范圍內(nèi)所報道的關(guān)于電動飛行汽車電池快速充電的最好實驗結(jié)果，為該領(lǐng)域設(shè)立了行業(yè)標(biāo)桿。